To ciekawe

Umieszczając bryłkę uranu w komorze Wilsona, czyli zamkniętym pojemniku wypełnionym przechłodzonymi oparami izopropylenu, zauważysz cieniutkie ślady, wyskakujące z niej w każdym kierunku. Jakie cząstki powodują powstanie tych śladów oraz jakie są inne własności tych cząstek? O tym dowiesz się z tego materiału.

Po przeczytaniu informacji na temat promieniowania $\alpha$ zachęcam Cię do zbudowania własnej komory Wilsona. Oprócz dwóch pojemników, czarnej, metalowej płyty, grubego filcu i mocnej lampy będziesz potrzebować alkoholu izopropylowego oraz suchego lodu. Nie są to rzeczy do znalezienia w domu, ale z pomocą nauczyciela lub opiekuna koła naukowego na pewno się uda.

Warto przeczytać

Promieniowaniem $\alpha$ nazywamy jądra helu wyemitowane z niestabilnych jąder atomowych w wyniku przemiany $\alpha$. Cząstki $\alpha$ składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Ich masa jest nieco mniejsza od masy nukleonów składowych i wynosi 6,64 · 10Indeks górny -27^-27 kg. W przypadku mikroświata dużo wygodniej operuje się jednostką MeV/$c$Indeks górny 2². Masa cząstki $\alpha$ wynosi 3727 MeV/$c$Indeks górny 2².

Ze względu na dodatni ładunek protonu ładunek cząstki $\alpha$ jest dodatni i wynosi $q=+2\cdot e$, gdzie literka $e$ oznacza ładunek elementarny wynoszący 1,602 · 10Indeks górny -19^-19 C.

Niezerowy ładunek cząstki $\alpha$ ($q$) sprawia, że jej tor jest odchylany w polu elektrycznym i magnetycznym. W polu elektrycznym działa na nią siła Coulomba $\overrightarrow{F_C}=q\overrightarrow{E}$, odchylająca tor cząstki w kierunku zgodnym z kierunkiem wektora natężenia pole elektrycznego $\overrightarrow{E}$, co zostało pokazane w części A Rys. 1.

W polu magnetycznym na cząstkę $\alpha$ działa siła Lorentza $\vec{F_L}$, której kierunek określa iloczyn wektorowy wektorów prędkości cząstki $\vec{v}$ i indukcji pola magnetycznego $\vec{F_L}=q\cdot\vec{v}\times\vec{B}$. Siła Lorentza jest skierowana prostopadle do wektora prędkości cząstki $\alpha$, pełni więc rolę siły dośrodkowej. Zachowanie cząstki $\alpha$ w polu magnetycznym prezentuje część B Rys. 1.

R1MkM1eVLK80J

Rys. 1. Na rysunku są dwa obrazki A i B.

Rys. 1A. Na rysunku przedstawiony jest tor cząstki alfa, która wpada w jednorodne pole elektryczne. Tym torem jest fragment paraboli. Pole elektryczne narysowane jest w postaci poziomych linii, a wytworzone przez dwie prostopadłe różnoimiennie naładowane płyty. Cząstka zaznaczona jest w postaci czerwonej kropki. Jej prędkość v jest skierowana pionowo w górę, prostopadle do linii pola. Do cząstki przyłożona jest siła F z indeksem dolnym c o kierunku i zwrocie zgodnym z liniami pola. Tor cząstki jest częścią paraboli skierowaną ku płycie ujemnej.

Rys. 1B. Rysunek przedstawia tor ruchu cząstki alfa w jednorodnym polu magnetycznym. Jest to okrąg. Na rysunku narysowany jest przestrzenny układ współrzędnych i w nim w postaci równoległych linii narysowane jest symbolicznie pole magnetyczne o indukcji wielka litera B leżące w płaszczyźnie małe litery xz. Cząstka alfa narysowana w postaci kropki ma prędkość mała litera v prostopadłą do linii pola magnetycznego i równoległą do osi x. Tor jej ruchu leży w płaszczyźnie xy, czyli w płaszczyźnie prostopadłej do linii pola magnetycznego. Na cząstkę działa siła magnetyczna przyłożona do cząstki i zaznaczona jako wilka litera F z indeksem dolnym L. Siła ta jest siła dośrodkową i skierowana jest do środka okręgu.

Energia kinetyczna cząstek $\alpha$ po wyemitowaniu z jądra przyjmuje wartości kilku megaelektronowoltów (MeV). Co to oznacza? Pamiętając, że masa cząstki wynosi ok. 3727 MeV/$c$Indeks górny 2², zauważmy, że energia kinetyczna jest dużo, dużo mniejsza od energii spoczynkowej. Stąd płynie natychmiast wniosek, że są to cząstki klasyczne, a ich prędkości są dużo niższe od prędkości światła.

Obliczmy, ile dokładnie wynosi prędkość przykładowej cząstki $\alpha$ o energii 5 MeV. Już wiemy, że możemy stosować klasyczny wzór na energię kinetyczną: $E_k=\frac{m{v}^2}{2}$.

Prędkość cząstki wyznacza się więc wzorem:

Podstawiając dane liczbowe otrzymujemy:

Ostatecznie prędkość cząstek $\alpha$ wynosi ok. 15 000 km/s.

Promieniowanie $\alpha$ jest czasem określane promieniowaniem jonizującym. Oznacza to, że cząstki jonizująJonizacjajonizują ośrodek, w którym się przemieszczają. Mechanizm jonizacji polega na tym, że cząstki $\alpha$ przekazują część swojej energii elektronom, wyrywając je z atomów. Proces ten przebiega bardzo intensywnie, cząstki $\alpha$ bardzo szybko tracą energię i są zatrzymywane. Zasięg cząstek o energii 5 MeV w powietrzu wynosi ok. 3,5 cm. Oznacza to, że cząstka poruszająca się początkowo z prędkością 15 000 km/s zostaje zupełnie zatrzymana w kilku centymetrach powietrza. W materiałach o większej gęstości zasięg cząstek $\alpha$ jest jeszcze mniejszy. Większość z nich jest zatrzymywanych przez kartkę papieru lub naskórek. Z tego względu promieniowanie $\alpha$ określane jest jako mało przenikliwe.

Zdolność promieniowania $\alpha$ do jonizacji jest wykorzystywana do jego detekcji. Jednym z najstarszych i najprostszych detektorów jest komora WilsonaKomora Wilsonakomora Wilsona. Komora umożliwia obserwację śladów cząstek $\alpha$ poruszających się w gazie. Komora wypełniana jest parą przesyconą, czyli taką, dla której przekroczony został punkt nasycenia, po którym gaz powinien ulec skropleniu. Jednakże jeśli jest on idealnie czysty, do skroplenia nie dochodzi. Aby para uległa skropleniu potrzebne są tzw. centra kondensacyjne w postaci pyłów lub jonów. W komorze Wilsona centrami kondensacyjnymi są jony powstałe w wyniku oddziaływania promieniowania $\alpha$ z gazem. Wskutek jonizacji ośrodka wzdłuż torów cząstek $\alpha$ powstają jony, na których para ulega skropleniu. Powstałe w ten sposób krople cieczy są widoczne gołym okiem, mogą być też fotografowane. Długość powstałego toru zależy od ciśnienia gazu oraz energii cząstek $\alpha$. Im większa energia kinetyczna cząstek $\alpha$, tym ich tory są dłuższe.

Poniższy film obrazuje działanie przykładowej komory Wilsona.

RxmPDf5sWFLwN

Na filmie widoczna jest szyba komory Wilsona. Za szybą w komorze znajduje się w niej przesycony gaz, który w takim stężeniu powinien ulec skropleniu. Nie przechodzi on jednak w stan ciekły ponieważ jest czysty, a zatem nie zawiera żadnych pyłów ani jonów, które dałyby początek procesowi skraplania. W miarę upływu czasu na szybie pojawiają się jasne smugi i krople cieczy. Przypomina to widok okna podczas pochmurnego i deszczowego dnia. Jasne smugi są efektem oddziaływania gazy z promieniowaniem alfa. Cząstki gazu oddziałujące z promieniowaniem alfa ulegają jonizacji i dają początek procesowi skraplania. W ten sposób na szybie powstają widoczne krople cieczy.

Na filmie widoczna jest szyba komory Wilsona. Za szybą w komorze znajduje się w niej przesycony gaz, który w takim stężeniu powinien ulec skropleniu. Nie przechodzi on jednak w stan ciekły ponieważ jest czysty, a zatem nie zawiera żadnych pyłów ani jonów, które dałyby początek procesowi skraplania. W miarę upływu czasu na szybie pojawiają się jasne smugi i krople cieczy. Przypomina to widok okna podczas pochmurnego i deszczowego dnia. Jasne smugi są efektem oddziaływania gazy z promieniowaniem alfa. Cząstki gazu oddziałujące z promieniowaniem alfa ulegają jonizacji i dają początek procesowi skraplania. W ten sposób na szybie powstają widoczne krople cieczy.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RxmPDf5sWFLwN

Na filmie widoczna jest szyba komory Wilsona. Za szybą w komorze znajduje się w niej przesycony gaz, który w takim stężeniu powinien ulec skropleniu. Nie przechodzi on jednak w stan ciekły ponieważ jest czysty, a zatem nie zawiera żadnych pyłów ani jonów, które dałyby początek procesowi skraplania. W miarę upływu czasu na szybie pojawiają się jasne smugi i krople cieczy. Przypomina to widok okna podczas pochmurnego i deszczowego dnia. Jasne smugi są efektem oddziaływania gazy z promieniowaniem alfa. Cząstki gazu oddziałujące z promieniowaniem alfa ulegają jonizacji i dają początek procesowi skraplania. W ten sposób na szybie powstają widoczne krople cieczy.

Słowniczek