VIDEO Ovaj eksperiment na nastavi može izvesti svaki nastavnik Fizike: Osigurao je dvije Nobelove nagrade

Cloud chamber eksperiment, na hrvatskom znan i kao maglena komora, prvi je tip detektora čestica. Nastavnici fizike ga mogu napraviti u vlastitim učionicama. Promatrajući ovu komoru u zamračenoj prostoriji, učenici mogu vidjeti efekte subatomskih čestica. Iako se cloud chamber danas koristi isključivo u edukativne svrhe, u prošlosti se koristio za prava znanstvena istraživanja od kojih su neka zavrijedila i Nobelovu nagradu.

Razgledavanje istraživačkih postrojenja, predavanja, ali i radni materijali s prijedlozima eksperimenata koji su izvedivi u školskim učionicama. Sve su to prošli nastavnici fizike i studenti završne godine nastavničkog smjera fizike na PMF-u koji su protekli mjesec razgledavali legendarni CERN. Boravak na čuvenom Europskom laboratoriju za fiziku čestica, najvećem takvom laboratoriju na svijetu, odlična je priča za prepričavanje, ali ujedno i stručno usavršavanje koje je polaznicima Hrvatskog programa za učitelje dalo nove alate i ideje kako novim generacijama učiniti fiziku zanimljivom.

Cloud chamber ili maglena komora: Primitivni detektor koji je otkrio važnu subatomsku česticu

U tri dana svoje edukacije, nastavnici iz Hrvatske su dobili upute i smjernice za nekoliko eksperimenata kojima u vlastitim učionicama mogu dočarati kako funkcioniraju subatomske čestice koje se proučavaju u CERN-u. Nažalost, neki od njih su možda izazovni za izvesti zbog troškova koji uključuju i korištenje 3D printera. Ipak, polaznici ovog međunarodnog usavršavanja su se složili da jedan eksperiment koji su uvježbali definitivno mogu pokazati u svojim učionicama u Hrvatskoj: ‘cloud chamber’ odnosno ‘maglena komora’. Ukratko, maglenom komorom možemo vidjeti tragove subatomskih čestica koje konstantno iz svemira prolaze kroz planet Zemlju, nevidljivi ljudskom oku. Možemo vidjeti efekte njihova zračenja. No, ne brinite, riječ je o ‘pozadinskom zračenju’ kojem smo stalno izloženi i bezopasno je.

Iako se danas koristi isključivo u obrazovne svrhe, vjerovali ili ne, maglena komora je ustvari bila prvi tip detektora čestica. Osigurala je čak dvije Nobelove nagrade. Prvi dobitnik Nobelove nagrade s ovim detektorom je ustvari i osoba koja ga je izumila. Škotski fizičar Charles T. R. Wilson. Poput i nekih drugih važnih otkrića, maglena komora kao detektor čestica je nastala slučajno. Wilson je želio istraživati kako se formiraju oblaci te ‘optičke fenomene u vlažnom zraku’. No, ubrzo je shvatio da je izumio detektor čestica. Potom je 1911. godine unaprijedio svoj izum i naposljetku za njega dobio Nobelovu nagradu 1927. godine.

Druga Nobelova nagrada zahvaljujući maglenoj komori otišla je u ruke američkog fizičara Carla Andersona. Anderson je pomoću maglene komore otkrio dvije vrlo važne subatomske čestice. Najprije pozitron 1932. godine te potom mion (muon) 1936. godine. Pozitron je subatomska čestica iste mase poput elektrona, ali suprotnog, odnosno pozitivnog naboja. S druge strane, mion je nestabilna subatomska čestica koja je ista poput elektrona, samo s otprilike 200 puta većom masom. Pritom je zanimljivo istaknuti, mion čini većinu radijacije iz svemira koja stigne do površine našeg planeta. Ipak, treba naglasiti da je Anderson imao malo drugačiju maglenu komoru od one za koje vam kroz tekst dajemo upute za izradu. Posebice važno, u svom je detektoru koristio vodu, ali još važnije, i većini nas nedostižno, primijenio snažno magnetsko polje. Tako da iako je relativno lako napraviti maglenu komoru, nemojte očekivati da ćete s njime raditi istraživanja koja će dovesti do velikih znanstvenih otkrića. Ali, sjajan je za gledanje i spoznavanje gibanja čestica te radijacije.

Materijali su lako nabavljivi: Oprez, eksperiment nije bezazlen

Čak i ako niste među nastavnicima Fizike koji su sada ili će ubuduće posjetiti CERN, uz ove jednostavne upute i sami možete s učenicima napraviti maglenu komoru. Sve što vam treba je:

• Plastični spremnik otvorenog (bilo koja plastična kutija kroz koju se može vidjeti, idealnih dimenzija: 20 x 30 x 15 cm)
• Metalna ploča (idealno crna, radi kontrasta)
• Kutija (mora biti malo veća od samih metalnih ploča i bez previsokih rubova da ne blokira pogled)
• Pust ili filc (deblja tkanina koju ćete staviti na dno komore, idealne debljine od 5 milimetara)
• Metalni čavlići (ili žice kako bi učvrstili tkaninu)
• Izvor svjetla (lampe kojima ćete osvijetliti komoru)
• Kruti CO2 (poznat i kao ‘suhi led’ koji se sublimira na temperaturi od -78,5  celzijevih stupnjeva)
• Izopropanol (izopropilni alkohol).

Pritom je važno naglasiti da ovaj eksperiment ima svoje rizike. Djeca i mladi ga ne smiju raditi bez nadzora odraslih. Famozni suhi led se ne smije dirati golim rukama. Ako ga taknete golim rukama, opekline će vam se javiti nakon svega par sekundi, a njegovo isparavanje dovodi do pojačane koncentracije ugljikovog dioksida u prostoriji. Stoga je za izvođenje ovog eksperimenta bitno osigurati prostoriju koja se može dobro prozračiti i/ili ima ventilaciju. Također, Izopropanol poznat i kao alkohol za čišćenje, iznimno je opasan. Ni slučajno ga nemojte piti, a dok ga koristite, također si zaštite kožu da vam sam alkohol ne dođe u kontakt s površinom tijela. Zbog svega navedenog, osim što nastavnici fizike tijekom pripreme maglene komore moraju nadzirati i paziti na učenike, bitno je pripremiti i sigurnosnu opremu za sebe, ali i učenike:

• Zaštitne naočale (kako bi zaštitili oči od isparavanja suhog leda i mogućeg štrcanja izopropanola)
• Zaštitne rukavice od nitrila (kako bi zaštitili kožu na rukama od izopropanola)
• Zaštitne rukavice od kože (za rukovanje suhim ledom od kojega vas klasične zaštitne rukavice neće zaštititi)
• Laboratorijska kuta (kako biste zaštitili ostatak tijela i odjeću u kojoj ste došli u školu)

Sve može biti spremno u desetak minuta

Dakle, nakon što na sebe stavite svu zaštitnu opremu krenite s radom. Prvo prekrijte dno kutije sa suhim ledom. Potom na dno komore (prozirnog plastičnog spremnika) učvrstite tkaninu metalnim čavlićima ili žicama. Dodajte izopropanol. Bitno je znati da komora neće funkcionirati s drugom vrstom alkohola. Natopite tkaninu s izopropanolom. Kada u potpunosti natopite tkaninu vidjet ćete ‘mala jezerca’ ovog alkohola u jednom kutu.

Nakon što ste natopili tkaninu u plastičnom spremniku, vratite se do kutije u koju ste posložili suhi led. Postavite metalnu ploču na suhi led. Ponovno uzmite izopropanol i ovoga puta ispunite rubove metalne ploče, ako ih ploča ima. To će biti sjajno jer će učvrstiti kutiju. Potom uzmite plastični spremnik, preokrenite ga i postavite na kutiju. Uz kutiju, s vanjske strane namjestite svjetiljke i upalite ih. Potom ugasite svjetla i pričekajte nekoliko minuta.

Svi ovi materijali se relativno lako mogu nabaviti u Hrvatskoj. Voditelj CERN-ovih nacionalnih i međunarodnih nastavnika fizike, Jeff Wiener, naglasio je da se sam magleni detektor može napraviti u različitim veličinama. Između ostalog čak i s čašom i tavom ili staklenkom. Ako želite da vam uz vaš nadzor, u izradi komore pomognu učenici, možete raspodijeliti zadatke tako da jedna grupa priprema kutiju sa suhim ledom, a druga plastični spremnik koji će zajedno tvoriti komoru. Jednom kad pripremite komoru, potrebno je pričekati nekoliko minuta kako bi krenula reakcija.

Magla alhokolnog plina reagira na prolaz čestica

No, što se točno događa u maglenoj komori? Naime, izopropanol počinje isparavati te i pada prema dolje jer je teži od zraka. Na dnu komore, suhi led održava hladnoću na dnu pa se same alkoholne pare ohlađuju pri padu. To onda dovodi do prezasićenog okoliša u kojemu je alkohol u plinovitom stanju, ali na temperaturi pri kojoj izopropanolne pare inače ne mogu postojati. To rezultira maglom koju vidite.

U takvom stanju, plin se lako pretvori u tekućinu ako nešto kroz njega prođe. Stoga, kada prođu subatomske čestice koje su svakodnevno oko nas, ali nevidljive golim okom, te čestice izbijaju elektrone na nekim od molekula plina. To se manifestira kroz tragove koje primjećujete da se formiraju u alkoholnoj magli. Tragovi mogu biti deblji, tanji, dulji ili kraći, možda i isprekidani. Ravni ili zakrenuti. No, svaki od njih karakterističan je za gibanje određenih subatomskih čestica. Od ranije spomenutih miona ili pozitrona pa sve do čestica alfa zračenja. Konkretne opise tragova i čestica koje ih uzrokuju možete vidjeti na fotografiji.

U CERN-u također ističu da većinu tragova koje ćete vidjeti u maglenoj komori uzrokuju upravo mioni za koje smo i ranije napisali da čine većinu kozmičke radijacije. Kao nestabilne čestice, jako su kratkotrajne te se raspadaju u jedan elektron i dva neutrina. K tome, u CERN-u oko miona navode još jednu zanimljivost. U prosjeku, jedan mion nam prođe kroz dlan ruke svake sekunde i tipično nastaju oko 15 kilometara u atmosferi kada se kozmičke čestice transformiraju u lakše čestice u interakciji s atmosferom.

Više detalja o izradi maglene komore možete vidjeti u CERN-ovom vodiču za njegovu izradu na engleskom jeziku. Napomena: ako vam se dokument ne učitava, potrebno je osvježiti stranicu.