fyzika P03b poznáváme vesmírem MLŽNÁ KOMORA Radioaktivita na Zemi a ve vesmíru
Aktivita 1 Sestavování mlžné komory strana 3 Aktivita 2 Ověřte si své znalosti radioaktivních přeměn strana 6
Sestavování mlžné komory Budete provádět pokus detekující částice vznikající v důsledku radioaktivní přeměny (rozpadu). Sestavíte si mlžnou komoru, tedy zařízení na detekci radioaktivního záření, a v ní budete pozorovat radioaktivní přeměnu 232 Th. V podobě stop v alkoholové páře uvnitř nádoby budete pozorovat alfa a beta záření. Obrázek A1 AK TIV ITA 1 Nákres experimentu. /plsť napuštěná alkoholem, plastové akvárium, LED svítilna, elektroda s thoriem obalená papírem, elektroda s thoriem, těsnění z lepicí gumy, upevnění lepicí gumou, suchý led, kovové tácy/ Pomůcky Dvě wolframové svářecí elektrody s thoriem (nebo jiný zdroj alfa / beta záření), optimálně podlouhlého tvaru Zhruba 2,5 kg suchého ledu (pevný CO 2 ) 20 ml isopropylalkoholu neboli isopropanolu (propan-2olu; pokud není k dispozici, použijte etanol) Plastové akvárium s připevněnou plstí Dva kovové tácy (dobře poslouží i plechy na pečení) Jedna černá čtvrtka nebo zalaminovaný černý papír (pro vyložení táců či plechů, pokud nejsou zcela černé) Jeden nebo dva silné zdroje světla (např. pásek s LED, LED svítilna nebo světlo z projektoru) List obyčejného papíru pro omotání kolem jedné elektrody Lepicí guma nebo jiné opětovně použitelné lepidlo Pasteurova pipeta nebo kapátko (plastové nebo skleněné) Tepelně izolované ochranné rukavice Ochranné brýle (jeden pár pro každou osobu) poznáváme vesmírem mlžná komora P03b 3
Bezpečnostní pokyny Isopropanol (nebo jiný alkohol): Isopropanol je vysoce hořlavý nepoužívejte jej v blízkosti otevřeného ohně. Páry izopropanolu (i ethanolu) snadno vzplanou. Vždy mějte na sobě ochranné brýle. Nezapomeňte láhev s propanolem ihned po použití uzavřít. Suchý led: Při manipulaci se suchým ledem a se vším, co bylo v kontaktu se suchým ledem, včetně kovových táců, noste tepelně izolované rukavice a mějte nasazeny ochranné brýle. S případnou omrzlinou zacházejte stejně jako s popáleninou namočte ji na 10 minut do studené vody a v případě potřeby vyhledejte lékařskou pomoc. Vdechování studených par může způsobit poškození plic a záchvaty u astmatiků. Páry tedy nevdechujte. Wolframové elektrody s thoriem slabý zdroj záření: Nepřibližujte elektrodu k ústům ani k odhaleným částem těla, pracujte s ní v rukavicích. Pokud na elektrodě vidíte známky odlupování materiálu nebo rozpadu, upozorněte na to učitele. Průběh pokusu 1. S použitím rukavic naneste na jeden tác tenkou vrstvu nadrceného suchého ledu (nebo suchého ledu v peletkách) a přikryjte ji druhým tácem; před zahájením pokusu vyčkejte, než se oba tácy zchladí. 2. Nalepte plsť do spodní části akvária (viz obrázek A1 výše). S použitím pipety naneste alkohol na plsť podél celého plastového akvária. Naneste zhruba 6 ml na každou z obou delších stran a asi 3 ml na každou kratší stranu (záleží ovšem na velikosti Vašeho akvária). 3. Vyválejte z lepicí gumy čtyři válečky, které natáhnete podél horní hrany akvária. Důkladně oblepte všechny horní hrany. Až pak akvárium otočíte vzhůru nohama, bude lepicí guma sloužit jako těsnění a zabraňovat tomu, aby nasycenou atmosféru uvnitř akvária narušoval okolní vzduch. 4. Vezměte dvě wolframové elektrody s thoriem a jednu z nich obalte papírem (pouze jednou vrstvou!). Případně jej můžete upevnit lepicí páskou. Naneste trochu lepicí gumy na oba konce každé elektrody. 5. S pomocí rukavic sundejte horní tác ze spodního a přidejte do spodního tácu další suchý led, dokud nebude skoro plný. 6. Připevněte wolframové elektrody s thoriem doprostřed dna prázdného horního tácu tak, jak je ukázáno na obrázku A1. Pokud není tác tmavý, položte je na černou čtvrtku. 7. Obraťte akvárium vzhůru nohama. Umístěte jej na tác s elektrodami a přitiskněte, abyste vnitřek izolovali od okolního vzduchu.
8. S pomocí rukavic umístěte horní tác na spodní. 9. Zapněte zdroj světla a umístěte jej na stranu tak, aby svítil přímo do komory. Pár minut počkejte, než se prostředí v komoře ustálí a nasytí isopropanolem a pak se seshora dívejte dovnitř, abyste mohli obsah komory pozorovat proti temnému pozadí. Svá pozorování si můžete vyfotit. Co v komoře pozorujete? Diskuze AK TIV ITA 1 Během pozorování kondenzačních stop (bílých čar) v mlžné komoře přemýšlejte nad následujícími otázkami. 1. Co je příčinou vzniku kondenzačních stop (bílých čar) v naší komoře? 2. Vidíte nějaké rozdíly mezi jednotlivými stopami?? 3. Co je zdrojem beta-záření, když v elektrodách je 232 Th, které je alfa-zářič? 4. Vidíte nějaké rozdíly v charakteru či počtu stop vycházejících z jednotlivých elektrod? 5. Jaký je rozdíl mezi přeměnou alfa a beta a jak tento rozdíl ovlivňuje kondenzační stopy? 6. Kosmické záření jsou částice s vysokou energií přicházející z vesmíru. Jak je lze pozorovat? 7. Jaké může mít záření vliv na vesmírná plavidla? 8. Jak lze radioaktivní přeměnu využít jako zdroj energie ve vesmíru? O těchto bodech pak můžete ve třídě diskutovat. Během diskuze nebo po ní si pište poznámky do příslušných rámečků na listu pro odpovědi. Dobré zápisky vám pak pomůžou, až si budete opakovat učivo na test a vůbec, pro další aplikaci v životě. Uveďte, které jsou dva hlavní procesy radioaktivní přeměny, a popište, jak fungují. Vysvětlete, čím přispívá každá z následujících součástí mlžné komory k tomu, abychom mohli pozorovat částice. Plastové akvárium: Elektroda s thoriem: Suchý led: Alkohol: Popište, jak následující vlastnosti částice ovlivní podobu její kondenzační stopy. poznáváme vesmírem mlžná komora P03b 5
Hmotnost: Náboj: AK TIV ITA 21 Pojmenujte další částice, které vytvářejí další kondenzační stopy (a nejsou výsledkem přeměny alfa nebo beta) a uveďte, odkud mohou přicházet. Vypište pozitivní a negativní důsledky radioaktivní přeměny pro vesmírná plavidla. Ověřte si své znalosti radioaktivní přeměny Věděli jste, že Na Zemi nás před vesmírnými paprsky nesoucími náboj chrání magnetické pole neboli magnetosféra, která je vytvářena pohybem magnetických prvků (železo, nikl) v jádru Země. Toto magnetické pole sahá do vzdálenosti dvakrát větší, než ve které se nachází Měsíc, ale čím dále je od Země, tím je slabší a poskytuje proto menší ochranu před ionizujícími částicemi z vesmíru. magnetick severní ý pól,5 11 zeměpisný severní pól Mise NASA/ESA/ASI Cassini- Huygens mířící k Saturnu se musela zeměpisný magnetický s tímto vesmírným zářením jižní pól jižní pól vypořádat, protože letěla daleko za hranice magnetosféry. Jakmile sonda Cassini-Huygens dosáhla svého cíle, byla chráněna silným magnetickým polem Saturnu. 1. Doplňte chybějící údaje v následujících jednoduchých reakcích radioaktivní přeměny. Pamatujte si, že při přeměně alfa se uvolňují dva protony a dva neutrony a při přeměně beta se uvolňuje elektron nebo pozitron, podle toho, jestli se neutron mění na proton nebo proton na neutron. Obrázek A2 ukazuje příklad přeměny alfa a beta v jádře atomu. poznáváme vesmírem mlžná komora P03b 6
a. přeměna α b. přeměna β - (uvolňování elektronu): c. přeměna β + (uvolňování pozitronu): Obrázek A2 228 88 Ra 228 Ac 89 232 e - 90Th α částice = jádro helia = 4 2He β - částice elektron Rozpadová řada thoria ukazující přeměnu α a β -. 2. Tohle je rozpadová řada 232 Th, radioaktivního nuklidu obsaženého ve wolframových elektrodách v naší mlžné komoře. Řada proměn alfa a beta prochází několika nestabilními nuklidy, až skončí 232 90 Th α 228 89 Ac Th - β β - α 220 α α 86 Rn Po Bi 212 84 Po α Pb Ra Ra 212 82 Pb 208 81 Ti β - poznáváme vesmírem mlžná komora P03b 7
u stabilního nuklidu. Doplňte chybějící údaje v následující rozpadové řadě. 3. Určete, který stabilní prvek vzniká na konci rozpadové řady thoria-232: AK TIV ITA 2 Věděli jste, že Kosmické paprsky jsou částice s velmi vysokou energií, které pocházejí ze Slunce a z dalších těles mimo sluneční soustavu. Vesmírná sonda Ulysses Evropské kosmické agentury letěla k slunečním pólům, aby tyto energetické částice studovala. Velká část kosmického záření po opuštění Slunce zamíří k zemi, vstoupí do naší atmosféry, v ní interaguje s atmosférickými molekulami a vznikají nové částice zvané piony. Piony se velmi rychle rozpadají, často na miony, které můžeme kosmické pozorovat v mlžné komoře. To je jeden ze způsobů, jak paprsky můžeme studovat astronomická tělesa. poznáváme vesmírem mlžná komora P03b 8
Poznáváme vesmírem mlžná komora www.esa.int/education Vzdělávací odbor ESA uvítá jakékoli komentáře a zpětnou vazbu teachers@esa.int Vyrobilo Vzdělávání ESA Všechna práva vyhrazena Evropská kosmická agentura 2016