1 Měření na Wilsonově expanzní komoře Cíle úlohy: Cílem této úlohy je seznámení se základními částicemi, které způsobují ionizaci pomocí Wilsonovi mlžné komory. V této úloze studenti spustí Wilsonovu mlžnou komoru a pomocí vizuálního pozorování vyhodnotí příchozí částice, které jsou komorou zaznamenávány.
1.1 Zadání 1. Seznamte se s konstrukčním provedením Wilsonovi mlžné komory. 2. Zprovozněte Wilsonovu mlžnou komoru a vyčkejte do doby, než začne nastávat kondenzace na prolétávajících částicích. 3. Zaznamenejte si dráhy a tloušťky kondenzujících čar a vyhodnoťte, kterým částicím přísluší.
1.2 Teoretický rozbor úlohy 1.2.1. Ionizující záření Ionizující záření je možno definovat několika způsoby, nejčastěji se používá definice, že ionizujícím zářením nazýváme takové záření, jehož kvanta mají natolik vysokou energii, že jsou schopna vyrážet elektrony z atomového obalu a tím látku ionizovat. [1] 1.2.2. Radioaktivita Pojem radioaktivita může bát definován např. takto: Radioaktivita je jev, kdy dochází k samovolné vnitřní přeměně složení nebo energetického stavu atomových jader, přičemž je emitováno vysokoenergetické záření. Jádra vykazující tuto vlastnost se nazývají radionuklidy. Radioaktivita je běžnou součástí našeho života. Každá věc, se kterou každý den přicházíme do kontaktu je radioaktivní, tj. obsahuje jisté množství látek, které se dále přeměňují. Míra nebezpečnosti však závisí na počtu radioaktivních přeměn za jednotku času a na druhu a energii částic, které se při dané přeměně uvolní. Při přeměnách prvků dochází k emitování přímo ionizujících částic, mezi něž patří částice α, která se skládá ze dvou protonů a čtyř neutronů. Příkladem přeměny emitující α částici je přeměna radia na radon. →
+
(1.1)
Dalším typem přeměny, jenž emituje přímo ionizující záření β je přeměna neutronu na proton, kde dochází k emitování elektronu. →
+
→
+ ̅ +
(1.2) +
(1.3)
Avšak může nastat ještě případ, že při přeměně dojde k emitování záření β, ale emitovanou částicí bude pozitron. Příkladem takového rozpadu může být přeměna uhlíku . →
+
(1.4)
Posledním typem přímo ionizujícího záření je emitování záření, které je emitováno při přechodu jádra atomu z vyšší energetické úrovně na nižší energetickou úroveň. Ovšem ne všechny přeměny způsobují zároveň emitování přímo ionizujícího záření. Některé přeměny jsou zdrojem tzv. nepřímo ionizujícího záření. Toto záření má svůj původ v přeměně prvku, způsobené většinou jadernou reakcí, při níž dojde k uvolnění jednoho nebo více neutronů, které následně způsobí takovou reakci, při níž dojde k emitování přímo ionizující částice. [2]
V dnešní době lze v přírodě lze nalézt tři rozpadové řady. První z nich je rozpadová řada uranu , která se přemění na olovo a při přeměnách 8x emituje heliovou částici a 6x elektron. →8
+6
+
(1.5)
Druhou rozpadovou řadou v pořadí je řada, na které stojí převážná většina dnešních komerčně provozovaných elektráren. Jedná se o rozpadovou řadu uranu . Při přeměnách dojde k vyzáření 7 jader a 4 elektronů, až na konec dojde k přeměně na olovo . →7
+4
+
(1.6)
Poslední rozpadová řada, která se dá najít v přírodě je rozpad 6 heliových jader a 4 elektronů přemění na . ℎ→6
+4
ℎ, které se po vyzáření
+
(1.7)
Avšak existuje umělá rozpadová řada, jejíž počátek je při neptuniu 7 heliových jader a 4 elektronů se dostane ke stabilnímu bizmutu . [2] →7
+4
+
a po vyzáření (1.8)
1.2.3. Druhy detektorů V současné době nemůže člověk žádným způsobem vnímat okamžitý výskyt ionizujícího záření ve svém okolí, protože k tomu nemá vyvinuty žádné vjemové orgány. Podobně je tomu např. u elektrického napětí, kdy vodič pod napětím (např. síť 230/400 V) nelze odlišit od vodiče bez napětí, až do chvíle, než dojde k fyzickému kontaktu s člověkem. Narozdíl od úrazu elektrickým proudem, kdy dochází k rozpoznatelným účinkům na člověka okamžitě, při úrazu vlivem působení ionizujícího záření dochází k rozpoznatelným účinkům až po nějakém, čase, který závisí zpravidla na délce působení ionizujícího záření, jeho druhu, energie... I v případě, kdy daný jedinec obdrží smrtelné dávky v rámci jednotek sievertů dochází k fyzickým projevům na člověka až po několika minutách až hodinách. Jedná se především o nausea, zvracení, nechutenství, bolesti hlavi či průjmy. V případech, kdy jedinec obrží dávky nad 10 sievertů může se začít projevovat bezprostřední stresová reakce organismu na masivní odumírání buněk, že jedinec začne pociťovat výraznější funkční poruchy až zneschopnění. Toto je způsobeno především masivním zasažením nervových buněk, avšak i nástup této fáze trvá několik málo minut. [3] Jak již bylo řečeno výše, lidský organismus není schopen rozpoznat svými smysly ionizující záření, které by pro něj nemělo fatální následky. K tomuto účelu bylo vynalezeno mnoho různých detekčních přistrojů a postupů, jejichž úkolem je zjišťovat různé informace o daném druhu ionizujícího záření. Může se jednat například o zjištění počtu částic vyzařovaného nějakým zdrojem, zjištění ehergetického spektra vyzařovaného zdrojem nebo mapování trajektorie částic. Detektory ionizujícího lze z hlediska principu jejich funkce rozdělit na: a) Počítače, jejichž výstupem je elektrický puls, který nese informaci o průchodu nabité částice měřícím prostorem detektoru b) Dráhové komory, ve kterých se zaznamenává trajektorie nabité částice, která se potom může fotografovat nebo jinak zaznamenávat.
2
Obě skupiny detektorů jsou charakterizovány určitými parametry, díky kterým je možno je dále rozdělovat nebo srovnávat. Jedná se zejména o: a) Mrtvou dobu – je to doba, která potřebná proto, aby mohly být dvě po sobě jdoucí interakce vyhodnoceny jako dvě nezávislé události. [4] Z toho vyplývá, že pokud přijde další impuls dříve, než uplyne mrtvá doba, tak tento impuls nebude moci být zpracován a informace i jeho příchodu bude ztracena. b) Detekční účinnost zařízení – která vyjadřuje pravděpodobnost, že záření procházející detektorem bude zachyceno. [5] Tato pravděpodobnost zavisí jedna na samotném detekčním materiálu a jednak na energii, kterou má daná částice. Obecně lze říci, že detekční materiály do určité velikosti energie částice jsou schopny částice zachytávat a s dalším zvyšováním energie začne docházet k "průstřelůmů" materiálu aniž by došlo i interakci s detekčním materiálem c) Prostorové rozlišení – jedná se o nejmenší možnou vzdálenost, při které lze ještě odlišit dvě částice jako dvě různé samostatné částice. [5] Tento parametr přichází v úvahu pouze pro detektory, které jsou schopny určovat trajektorii prolétávajících částic. V případě, kdy projdou detektorem dvě částice ve velmi tesné blízkosti, může se stát, že např. kondenzační stopa za první částicí splyne se stopou za druhou částicí. V tomto případě by pak detektor vyhodnotil výskyt pouze jedné částice. d) Časové rozlišení – které určuje minimální časový interval který je potřebný ke zpracování a vyhodnocení jedné zaregistrované částice. e) Energetické rozlišení – udává relativní rozdíl energií dvou částic, které mohou být ještě rozlišeny.
Obr.: 1-1 Rozdíl mezi mrtvou dobou a časovým rozlišením detektoru [4] Wilsonova mlžná komora patří do kategorie dráhových detektorů. V případě, že není využívána pouze pro demonstrační účely, lze s ní dosáhnout časového rozlišení do 10-2 s, mrtvé doby přibližně maximálně do 100 s, obvyklé prostorové rozlišení mlných komor bývá 0,0005 m a typické měřící mlžné komory zaujímají objem do 10-1 m-3. Mlžné komory jsou zařízení, u nichž je hlavní detekční částí uzavřený objem, který je naplněn plynem s příměsí vhodných nasycených par. Pokud se změní podmínky uvnitř uzavřeného objemu tak, že se z nasycených par stanou páry přesycené, začne docházet ke kondenzaci na částečkách prachu a na iontech vytvořených průchodem nabitých částic. Pro přesné měření je tedy nutné náplně mlžných komor zavit prachu a různých nečistot, poté při vhodném osvětlení je možno sledovat a následně zpravidla vyfotografovat trajektorie kondenzujících kapiček, které se vytvořily průchodem nabité částice. Ve Wilsonových mlžných komorách se stavu přesycených par dosahuje pomocí adiabatické 3
expanze. Jak již bylo výše řečeno, pro správnou funkci komory je nutné v mlžné komoře snížit tlak, aby došlo ke kondenzaci par. Z toho vyplývá, že před dalším měřením je nutno tlak zvýšit, aby došlo k opětovnému odpaření zkondenzovaných par a pracovní objem byl připraven na další cyklus měření. Samotné měření lze tedy rozdělit do několika po sobě jdoucích fází: 1. Průchod ionizující částice 2. Expanse 3. Osvětlení pracovního prostoru 4. Fotografování 5. Komprese, tj. uvedení do stavu, schopného dalšího měření Z této posloupnosti je tedy patrné, že Wilsonova mlžná komora může spolehlivě pracovat pouze v diskontinuálním (přerušovaném) režimu a tudíž s ní není možné zaznamenávat několik dějú, které následují v těsném sledu po sobě. [5] Při praktickém měření jsou zpravidla jednotlivé fáze kombinovány. Vzhledem k velkým rychlostem nabitých částic (rychlost beta částice se může přibližovat rychlostem světla) bývá pracovní objem Wilsonovy komory osvětlen ještě před průletem částice. Snímání trajektorie částice bývá provedeno u méně významných experimentů např. fotoaparátem či kamerou, při výnamných či velmi rychlých pochodech bývá zpravidla použito snímání pomocí vysokorychlostních kamer, které jsou zpravidla spouštěny ve stejnou dobu, kdy je vydán povel k nastavení kolimátoru tak, na urychlovači došlo k zasažení cílového terčíku urychlovanou částicí. Výhodou tohoto typu detektoru oproti difůzní mlžným komorám je, že mohou pracovat v jakékoliv poloze, neboť jejich pravní schopnost závisí především na tlaku a teplotě uvnitř pracovního objemu, při kterých dojde k vytvoření přesycených par.
Obr.: 1-2 Trajektorie alfa a beta částice uvnitř Wilsonovy mlžné komory [6] Na obrázku Obr.: 1-2 vlevo lze vidět 2 druhy zaznamenaných částic. Tlustá kondenzační trajektorie je způsobena průletem alfa částice. Alfa částice díky své velikosti způsobují velkou ionizaci , tím pádem, je kondenzačí stopa široká, avšak alfa části mají obvykle malou energii, proto bývá jejich kondenzační stopa zároveň krátká (maximálně jednotky centimetů). Díky své malé energii a velkému objemu dochází vlivem srážek též k zakřivení jejich kondenzační trajektorie, jak lze vidět např. na Obr.: 1-2 vlevo. Vyobrazení kondenzačních trajektorií, které jsou způsobeny průletem beta částic je vyobrazeno na Obr.: 1-2 pravo. Na první pohled je patrné, že ve srovnání s alfa částicí na Obr.: 1-2 vlevo jsou 4
kondenzační trajektorie užší a po většině délky trajektorie vykazují přímkový charakter, který je mění až na samém konci. Tam již má vlivem předchozích srážek beta částice tak malou energii, že s každou další srážkou je již vychylována ze své původní trasy a dochází zde již k rychlému zabrždění beta částice.
1.3 Postup měření 1. Seznamte se s konstrukčním provedením Wilsonovi mlžné komory. 2. Vložte zářič do komory, nakapejte několik kapek přiloženého vhodného odpařovacího média (isopropyl, líh...) a komoru uzavřete. 3. Zkontrolujte těsnost a vyčkejte několik minut, než dojde k odpaření látky a vytvoření sytých par. 4. Proveďte několik cyklů, aby došlo k usazení prachu a nečistot na stěně nádoby a nezhoršovaly tak kondenzační pochody. 5. Zapněte napájení a pomocí sledujte vznik trajektorií. Mezi každý cyklem je třeba vyčkat několik sekund případně desítek sekund, až dojde k opětovnému odpaření zkondenzovaných par.. 6. Zaznamenejte si a zakreslete zobrazené trajektorie a určete, jaké částice byly zviditelněny. 7. Fotky a nákresy přehledně zpracujte do protokolu.
Obr.: 1-3 Zapojení Wilsonovy mlžné komory
5
Shrnutí: V této úloze jsme ukázali základní konstrukční provedení Wilsonovy mlžné komory, jednoduchost jejího sestavení a následně jsme si ukázali, jak vypadají trajektorie a různých ionizujících částic. V rámci úlohy jsme si rovněž ověřili vliv snížení tlaku respektive zvětšování expanzního prostoru na funkci Wilsonovy mlžné komory.
1.4 Bibliografie [1] V. Ullmann, „Astro Nukl Fyzika,“ [Online]. Available: http://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika6.htm. [Přístup získán 11 12 2013]. [2] J. Švec, Radioaktivita a ionizující záření, Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2005. [3] „Radiobiologie,“ [Online]. Available: http://fbmi.sirdik.org/5-kapitola/53.html. [Přístup získán 18 12 2013]. [4] „Fermi2010,“ [Online]. Available: http://www.fermi2010.eu/doc/KA06/KDAIZ/MER/07_Mrtva_doba.pdf. [Přístup získán 18 12 2013]. [5] P. Sajdl, „Technická jaderná chemie - Radioaktivní odpady,“ [Online]. Available: http://web.vscht.cz/~sajdlp/. [Přístup získán 18 12 2013]. [6] M. Dufková, „3pol,“ [Online]. Available: http://3pol.cz/109-wilsonova-difusni-mlzna-komora. [Přístup získán 26 12 2013]. [7] J. C. Wilson, The Principles of Cloud Chamber Technique, Cambridge: Cambridge University Press, 1951. [8] M. G. Stabin, Radiation protection and dosimetry :an introduction to health physics, New York: Springer, 2008.
6
