Zařízení mlžná komora

Co to je?

Mlžná komora je fyzikálně-chemické zařízení umožňující sledovat dráhy elektricky nabitých částic.

V dnešní době existují především dva druhy mlžných komor, velké skříňové, chlazené chladicím systémem, s velkou pozorovací plochou a malé stolní, chlazené nejčastěji suchým ledem, s malou pozorovací plochou. Velké skříňové komory mají řadu výhod, a to především spolehlivost, trvanlivost a komfort pozorování. Jednou z takových komor je i mlžná komora Gymnázia Opatov.

Podívejte se, jak jsme stavěli naší mlžnou komoru

Zobrazování částic

Princip tvorby mlžných stop

Dvě nejvýraznější mlžné stopy do tvaru písmene "V" zanechaly dvě alfa částice po radioaktivním rozpadu jádra atomu radonuHlavní částí mlžné komory je aktivní pozorovací plocha. Nad černě zbarvenou deskou se nachází syté páry isopropylalkoholu. Ten cirkuluje v horní části mlžné komory uzavřené skleněným kontejnmentem. Jeho specifická cirkulace je způsobená vysokým rozdílem teplot – zatímco je v horní části kapalný isopropylalkohol zahříván, spodní černá deska je chlazená. Zahříváním odpařený isopropylalkohol klesá na podchlazenou desku, a vytváří velmi sytou páru. Pokud dojde k průletu nabité částice touto oblastí, působí tato částice jako tzv. kondenzační jádro a zanechá za sebou bílou stopu, jako důkaz o svém průletu. Tato bílá stopa kontrastuje s černou barvou desky a je ideálně pozorovatelná. Podle tvaru a délky této stopy pak lze určit, o jakou částici se jednalo, jaké jsou její vlastnosti a z jakého pocházela zdroje.

Jako mlžné stopy za letadlem

Abychom plně porozuměli tomu, co se vlastně v komoře děje, můžeme se na tento jev podívat v jiné situaci, kde je pro nás zcela běžný. Stačí jen zvednout hlavu vzhůru, k obloze, kde ve výši nad našimi hlavami létají letadla. Ty zanechávají za sebou bílé čáry, které vznikají tím samým principem, kondenzací páry na kondenzačním jádru. V tomto případě funguje jako kondenzační jádro letadlo a parou je vodní pára, které je běžně přítomná v atmosféře.

Thoriová rozpadová řada

Umístěním zářiče do blízkosti pozorovací plochy mlžné komory docílíme tvorby více mlžných stop. A co víc, můžeme si na těchto stopách ukázat, jak se daný radioaktivní prvek rozpadá. Posloupnost postupně se rozpadajících těžkých prvků nám popisuje tzv. rozpadová řada. Podívejte se níže, jak se postupně rozpadá prvek thorium.

V případě thoriové řady pozorujeme mlžné stopy charakteristického tvaru písmene V, které vznikají díky rozpadu radonu na polonium a jeho takřka okamžitému rozpadu na olovo; mlžné stopy ve tvaru V jsou tedy dvě alfa částice ze dvou rychle po sobě následujících radioaktivních přeměn. Thoriová rozpadová řada (wikipedie)

Mlžná komora včera a dnes

Nobelova cena

Přístroj vynalezl skotský chemik a fyzik Charles Thomson Rees Wilson na počátku 20. století, podle kterého se často uvádí namísto názvu mlžná komora označení Wilsonova mlžná komora.Mlžná komora - Nobelova cena První pozorování uskutečnil v roce 1911, ale prvotní inspirace pro stavbu takového zařízení získal mnohem dříve. Po pozorování různých světelných jevů na mlze a mracích se rozhodl tyto jevy uměle reprodukovat v laboratoři. To se mu dařilo a s dalšími pokusy své zařízení zdokonaloval. Zejména se jednalo o potvrzení tvorby kondenzačních jader při vystavení komory rentgenovému záření. Později se v mlžných komorách umístěných mezi póly magnetu provádělo studium elektrických vlastností částic. V roce 1927 pak Wilson obdržel Nobelovu cenu za fyziku.

Historický význam mlžné komory pak ještě významně narostl v roce 1932, kdy byla v mlžné komoře poprvé pozorována částice pozitron, antičástice elektronu. Mlžnou komoru pak ale ve vysoké míře nahradila tzv. bublinková komora, která vědcům poskytuje ještě více pozorovacích možností, ale také je její provoz velmi nebezpečný a vyžaduje výhradně velmi odborný dozor.

Přínosy mlžné komory

Atraktivní částicová fyzika

Částicová fyzika nepatří mezi nejjednodušší témata středoškolské fyziky. Máloco si lze jasně demonstrovat přímo ve třídě. I přes to se jedná o přitažlivé téma i pro ty, kteří se fyzikou přímo nezabývají. Právě u těchto osob je možnost vidět přímý viditelný důkaz existence jinak zcela neviditelných částic velmi důležitá a rozhoduje o jejich zájmu o tuto oblast. Díky mlžné komoře se tedy i tak abstraktní téma, jako je částicová fyzika, může přiblížit i humanitně zaměřeným studentům.

Osvěta v oblasti radiace

Mlžná komora také velkou měrou přispívá k osvětě v oblasti radiace. Tím, že v mlžné komoře pozorujeme částice radioaktivních přeměn probíhajících v přírodě, můžeme jednoznačně nejen studentům dokázat, že radiace je v přírodě zcela běžný jev.

Co konkrétně pozorujeme?

V mlžné komoře pozorujeme různé nabité částice, a to nejen prosté elektrony, ale například také složenou částici alfa. Tyto částice pocházejí z čistě přírodních zdrojů, jako je kosmické či sluneční záření, nebo zářením přírodních radioizotopů, jakým je kupříkladu tímto známý prvek radon. Pro větší efekt, tedy zvětšení počtu prolétajících částic, můžeme použít také umělé zdroje radiace, jako je například thoriová punčoška, či jiné zdroje záření. Pozorovanými částicemi především jsou: Elektrony, Miony, Pozitrony, Protony a Částice α.

Částice α2+

Mlžná stopa vytvořená α částicí
Mlžná stopa vytvořená α částicí

Částice α (alfa) je složená ze dvou protonů a dvou neutronů, nese tedy elektrický náboj 2+. Proud těchto částic nazýváme také záření α. V mlžné komoře při jejím průletu pozorujeme krátké silné stopy.

Protony p+

Mlžné stopy vytvořené protony
Mlžné stopy vytvořené protony

Podobné stopy jako částice α může náležet také protonům s vysokou energií, které buď vznikly radioaktivními procesy v atmosféře, nebo jsou přímo součástí kosmického záření. Tyto protony mohou však zanechat i delší stopy, nebo jen malou skvrnku. Délka této stopy závisí především na úhlu, pod kterým částice do komory vstupuje a samozřejmě také na její energii.

Elektrony e

Mlžná stopa vytvořená elektronem s vysokou energií
Mlžná stopa vytvořená elektronem s vysokou energií

 

Stopy vytvořené několikrát vychýlenými elektrony s nižší energií
Stopy vytvořené několikrát vychýlenými elektrony s nižší energií

Tenké stopy různých délek a tvarů patří elektronům. Platí, že čím má elektron větší energii, tím je jeho dráha delší a přímější, a to třeba i přes celou pozorovací oblast. Naopak stopy elektronů s malou energií jsou kratší a díky častým srážkám s molekulami sytých par isopropylalkoholu se různě kroutí a zahýbají. Proud elektronů vzniklých při beta rozpadu radioaktivních jader nazýváme záření β (beta minus).

Miony μ

Mlžná stopa vytvořená mionem
Mlžná stopa vytvořená mionem

Další částice pozorovatelné v mlžné komoře jsou miony, tzv. „těžké elektrony“, které tvoří 90% sekundárního kosmického záření. Miony s vysokou energií vytváří podobné stopy jako elektrony, miony s nižší energií se pak mohou lehce zaměnit se silnými stopami částic α. Kvůli takové podobě stop s jinými částicemi je obtížné jejich stopy správně identifikovat.

Pozorovaná stopa při rozpadu mionu
Pozorovaná stopa při rozpadu mionu

Pokud však máme štěstí, pomůže nám fakt, že životnost mionů je značně omezená a rychle se rozpadají. Rozpad mionu probíhá tzv. slabou interakcí, produkty tohoto rozpadu jsou elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Obě tyto neutrina nejsou v mlžné komoře pozorovatelná, protože nenesou žádný elektrický náboj a s hmotou prakticky neinteragují. V mlžné komoře pak tedy pozorujeme jen elektron. Moment, kdy došlo k rozpadu mionu, poznáme díky charakteristickému ostrému zlomu a výraznému ztenčení stopy.

Pozitrony e+

Pozitron je tzv. antičásticí elektronu. Protože má vlastně všechny vlastnosti kromě elektrického náboje stejné jako elektron, vytváří v mlžné komoře stopy obdobně. Tyto dvě částice od sebe můžeme rozlišit pouze při umístění pozorovací plochy mlžné komory do magnetického pole, jak byl ostatně pozitron poprvé prokazatelně pozorován. Proud pozitronů vzniklých při beta rozpadu radioaktivních jader nazýváme záření β+ (beta plus).