Ködkamra alkalmazása a középiskolai zika oktatásban

Szakdolgozat

Ködkamra alkalmazása a középiskolai zika oktatásban Németh Viktória

Fizika BSc., zikatanár szakirány III. évfolyam

Témavezetõ: Dr. Horváth Ákos

egyetemi docens Eötvös Loránd Tudományegyetem

Atomzikai Tanszék 2015

Kivonat A középiskolai zika oktatásban manapság nem fektetnek kell® hangsúlyt a modern zikára és annak demonstrációs eszközeire, melynek oka vélhet®en a költséges eszköztár és az id® hiánya. Dolgozatomban ezen a problémán szeretnék segíteni azzal, hogy bemutatom, hogyan lehet egy otthon is könnyen és olcsón elkészíthet® ködkamrát építeni, mely a modern zika területén kívül is számos alternatívát biztosít az egyes témakörök demonstrációs és kísérleti lehet®ségeinek b®vítésére. A ködkamra m¶ködésének alapja a megszokottól eltér®en egy Peltier-elem, mivel ez gond nélkül beszerezhet® elektronikai szaküzletekben. Néhány egyszer¶ lépést követ®en beépíthet®, és m¶ködésbe hozható, így a diúziós ködkamrához szükséges -26◦ C elérése kivitelezhet®. Az általam is megépített ködkamra összeszereléséhez útmutatást nyújtok, ezzel szeretném mindenki számára elérhet®vé tenni a módszert, mellyel bárki könnyedén létrehozhatja saját ködkamráját.

ii

Köszönetnyilvánítás Szeretném megköszönni szüleimnek, hogy mindenben támogatnak és mellettem állnak. Külön köszönet édesapámnak a fáradtságos tervezésért és munkáért, melynek segítségével elkészülhetett a saját építés¶ ködkamrám. Megköszönöm témavezet®mnek, Dr. Horváth Ákosnak a munkát, mellyel el®segítette a szakdolgozatom megszületését és köszönöm lelkesedését, ami mindig új er®t és lendületet adott a folytatáshoz. Köszönet Ispánovity Péter Dusánnak, hogy segített megérteni a Peltier-elem elvi m¶ködését. Végül, de nem utolsó sorba szeretném megköszönni a barátaimnak azt, hogy mindig lelkes érdekl®déssel fordultak a témámhoz, hogy átolvasták a dolgozatot, és hasznos tanácsokkal láttak el. Külön köszönet Pál Bernadettnek, aki nélkül ez a képekkel és hivatkozásokkal teli szakdolgozat sosem jöhetett volna létre. Budapest, 2015. május 26.

iii

Tartalomjegyzék

1. Bevezetés

1

2. Ködkamra m¶ködése, részei

2

2.1. Diúziós ködkamra . . . . . . . . . . 2.2. Peltier-elem . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Peltier-elem elvi m¶ködése . . 2.3. A demonstrációs ködkamra felépítése

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

3. Ködkamra felhasználása az oktatásban 3.1. Elektromágnesség témaköre . . . . . . . . . . . 3.1.1. Áramkörök rajzolása, építése . . . . . . . 3.1.2. Multiméter . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3. Peltier-elem . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. H®tan témaköre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Diúzió . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. H®vezetés . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. H®átadás . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Modern zika témaköre . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Az α-bomlás . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. A β -bomlás . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3. A γ -bomlás . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4. A kozmikus sugárzás . . . . . . . . . . . 3.4. A környezetzika témaköre . . . . . . . . . . . . 3.4.1. A radioaktivitással kapcsolatos fogalmak 3.4.2. A radioaktív sugárzás biológiai hatásai . 3.4.3. Sugárvédelem . . . . . . . . . . . . . . .

2 3 3 8

10 . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Mérések a ködkamrával

10 10 11 12 12 13 14 15 15 16 17 18 19 20 20 20 21

23

4.1. Peltier-elem el®készít® lépései . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1. Peltier-elem h¶tésének vizsgálata (I.) . . . . . . 4.1.2. Peltier-elem h¶tésének vizsgálata (II.) . . . . . . 4.2. Ködkamra h¶tött lapjának mérése az els® prototípussal 4.3. TEC1-12708 típusú Peltier-elem vizsgálata . . . . . . . iv

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

23 23 25 26 27

4.4. Valódi mérések a ködkamrával . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5. A ködkamra összeállítása

30

5.1. A ködkamra összeállításához szükséges anyagok . . . . . . . . . . . . 31 5.2. Mérési utasítás a ködkamrához . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6. Összegzés

35

Hivatkozások

36

Nyilatkozat

38

v

Ábrák jegyzéke

2.1. A Peltier-elem felépítésének vázlata. A kép forrása: [5] . . . . . . . . . 2.2. Kristályos anyag elektronjainak energiaszerkezete 3 különböz® esetben. A kép forrása: [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Fermi-Dirac tárgyalásban a betöltési valószín¶sége egy adott állapotnak. A kép forrása: [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Két fém csatlakozásakor kialakuló kontaktpotenciál. A kép forrása: [4] 2.5. Seebeck-eektus egyszer¶ kapcsolási rajza. A rajz forrása: [6] . . . . . 2.6. A felépített ködkamra vázlata. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. A felépített ködkamra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Mér®m¶szerekkel ellátott áramkör kapcsolási rajza . . . . . . . . . . . 3.2. α-részecske a ködkamrában . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. α-részecske a ködkamrában . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. β -részecske a ködkamrában . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. β -részecske a ködkamrában . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Müon a ködkamrában . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7. Film-dózismér®. Az ábra forrása: [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. A mérés vázlatos rajza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. TEC1-12706-os Peltier-elem hideg és meleg oldali h®mérséklete a bekapcsolás után, közös ábrán, 6.6 V telepfeszültség mellett, 3-33 mérési sorozatra átlagolva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Hideg és meleg oldal közös ábrán 12 V telepfeszültség mellett . . . . . 4.4. A mérési elrendezés vázlata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Az új Peltier-elem hideg és meleg oldalának átlagos h®mérséklete közös ábrán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. Az új Peltier-elem hideg és meleg oldali h®mérsékletének különbsége . 4.7. A kialakuló h®mérséklet különbség exponenciális id®függése . . . . . . 5.1. A felépített ködkamra vázlata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 4 5 6 7 8 9 11 16 17 17 18 19 22 24

24 25 26 28 29 29 32

Táblázatok jegyzéke

4.1. Az új Peltier-elem hideg és a meleg oldalán mért h®mérsékletek átlaga 28 5.1. A Peltier-elemhez szükséges eszközök tájékoztató jelleg¶ ára . . . . . 31 vi

1. Bevezetés

A középiskolai zika oktatásban manapság egyre kevesebb id® jut a modern zika fogalmainak, kutatásainak és eredményeinek bemutatására. Sok iskolában egyáltalán nem érnek el ehhez az anyagrészhez, míg máshol is csak érintik, szóba kerül például a Big Bang, és említést tesznek a radioaktív bomlássorról. Ennek oka igen nagy valószín¶séggel az id® hiánya lehet, hiszen a 11. és 12. évfolyamosok számára készített tankönyvekben [9] igen részletes képet kapunk a modern zikáról, ez a témakör a Nemzeti Alaptantervben [11] is szerepel. A tankönyvekben fejezetek szólnak az atommag szerkezetér®l, a kötési energiáról, a maghasadásról és a magfúzióról, valamint nem utolsó sorban a radioaktív sugárzások kimutatásáról. Úgy gondolom, hogy bár valóban nem könny¶ témaköre ez a zikának, szükséges lenne kicsit többet hallaniuk err®l a diákoknak, hiszen a közvetlen környezetünkben is állandóan jelen vannak radioaktív részecskék, a kozmikus sugárzás és a természetes radioaktivitás következményeként, ezért fontos tudni, hogy mik ezek, és mennyire ártalmasak ránk nézve, illetve, hogy hogyan védekezhetünk a sugárzások ellen. Az orvosi zikában is igen sokszor találkozunk valamilyen radioaktív izotóppal m¶köd® m¶szerrel, mint például a Pozitronemissziós tomográal (PET), a kormeghatározásban is jelent®s szerepet kapnak a radioaktív elemek, illetve egy teljesen más területen, az energiaellátásban is jelen van a modern zika, mivel 2013-as adatok szerint az ország energiatermelésének 50 százalékáért [12] felel®s atomer®m¶ is a modern zika jelenségeire támaszkodik, ezért hasznos megtanulni ennek alapjait. Mindezek mellett azért is fontos ezt a témakört elmélyíteni, mivel a jelenleg folyó zikai kutatások egy része a modern zika témakörében szerepel,például a CERN-ben lév® kutatások is ehhez kapcsolódnak, ezért fontos, hogy ha hallanak valamilyen kísérleti eredményr®l a diákok, azt el tudják helyezni a zika területén belül, és legyen elképzelésük arról, hogy mit is jelentenek ezek a kutatások illetve a hozzájuk kapcsolódó eredmények. Hasznos lenne a tanárok kezében egy olyan eszköz, amelynek segítségével érdekes, és látványos módon tudnák a diákoknak megmutatni, hogy mit is jelentenek azok a fogalmak, amelyekr®l a könyvekben olvashatnak. Kézzel fogható, valódi méréseknek lehetnek a diákok a szemtanúi, melynek köszönhet®en felkelthet® az érdekl®désük a zika ezen ága felé is. Dolgozatom célja, hogy bemutassam hogyan lehet egyszer¶en és viszonylag olcsó módon el®állítani egy olyan diúziós ködkamrát, melyhez nincs szükség bonyolult 1

szerkezetekre és nehezen beszerezhet® anyagok használatára, valamint részletes leírást adni a ködkamra felhasználásáról, mely nem csak a modern zikában alkalmazható demonstrációs eszközként, hanem a h®tan, elektromosság és környezetzika területén is. Ezek mellett a dolgozatomban egy szakmódszertani leírást is adok a ködkamra használatához. 2. Ködkamra m¶ködése, részei

Részecskedetektornak nevezzük azokat az eszközöket, melyek a kozmikus sugárzásból, atommagátalakulásból vagy részecskegyorsítókból származó ionizáló részecskéket érzékelik. Ezek között számos eltér® típusú detektort különbözetünk meg, vannak gáztöltés¶, vizuális, félvezet®kb®l álló, valamint szcintillációs detektorok is. Jelen dolgozat egy vizuális detektor m¶ködésér®l és összeállításáról szól.

2.1. Diúziós ködkamra A diúziós ködkamra egy olyan részecskedetektor, mely ionizáló sugárzások érzékelésére és vizuális megjelenítésére szolgál. Els® sorban demonstrációs eszköz, mellyel szemléltetni lehet a környezetünkben fellelhet® radioaktív sugárzásokat. A kamrában túltelített alkoholg®z található. Az elektromosan töltött részecskék áthaladásuk során ionpárokat hoznak létre, melyeken megfelel® termodinamikai körülmények között kicsapódik az alkoholg®z. Ez egy kondenzációs folyamat, aminek végeredményeként a részecskék pályája rövid id®re láthatóvá válik. A legels® ködkamrát Charels Thomson Rees Wilson fejlesztette ki 1912-ben. Ebben a szerkezetben a kamrában túltelített vízg®z volt, melynek térfogatát úgy növelték, hogy egy dugattyúval a kis térfogaton lév® vízg®zt hirtelen kitágították, így a pára kicsapódott és rövid ideig folyamatos köd volt a kamrában, ami kicsapódott a radioaktív részecskék által létrehozott ionokon, így a részecskék pályája láthatóvá vált. Az ezzel az eljárással készült detektorokat expanziós ködkamrának nevezzük. Ennek a továbbfejlesztéséb®l jött létre a diúziós ködkamra, melyet az MIT-n dolgoztak ki, és Alexander Langsdorf fejlesztette tovább 1936-ban. [7] Ez annyiban különbözik az expanziós ködkamrától, hogy folyamatosan érzékenyen reagál az ionizációs sugárzásra, valamint fontos eltérés, hogy a túltelített g®zt alulról kell h¶teni, melynek köszönhet®en ködös, párás lesz a kamra, és a kondenzációt követ®en látha2

tóvá válik a radioaktív sugárzás pályája. A diúziós ködkamra alsó pontját igen hidegen, hozzávet®leg -26◦ C -on kell tartani, ezért ennél a ködkamránál már nem vizet, hanem alkoholt használnak az alacsonyabb fagyáspontja miatt. A legtöbb diúziós ködkamrát szárazjéggel h¶tik, mivel ez megfelel® h®mérsékleten tudja tartani a kamra alját. A demonstráció sikeréhez elengedhetetlen a jó megvilágítás, hiszen a ködkamrában kicsapódó g®z ekkor gyelhet® meg a legjobban. Gyakran szokták a demonstrációk alkalmával a ködkamrát mágneses térbe helyezni, hiszen ekkor az elektromosan töltött részecskék a normál pályájukhoz képest a tér hatására módosult pályán haladhatnak, amib®l lényeges információkra lehet következtetni a részecskéket illet®en. Ennek az ideális -26◦ C -nak az elérése több úton is lehetséges. Mivel jöv®met a tanári pályán képzelem el, felmerült bennem a kérdés, hogy hogyan lehetne a diákoknak az iskola falain belül is megmutatni, miként is m¶ködik egy ködkamra anélkül, hogy a nem túl könnyen beszerezhet® szárazjeget kéne használni a h¶tésre. Az elektrodinamikából már jól ismert Peltier-elem jutott eszembe, ami a rá kapcsolt feszültség hatására h¶t® és f¶t® elemként is m¶ködhet.

2.2. Peltier-elem 2.2.1. Peltier-elem elvi m¶ködése A Peltier-elem egy olyan h¶tésre vagy f¶tésre szolgáló eszköz, mely feszültségvezérelt h®szivattyúként m¶ködik. A modulra egyenáramot kapcsolva a modul két oldalán lév® kerámialapok közül az egyik felmelegszik a másik pedig leh¶l.

2.1. ábra. A Peltier-elem felépítésének vázlata. A kép forrása: [5] 3

"Az eszköz a különböz® fémek, illetve fémötvözetek találkozásánál kialakuló úgynevezett érintkezési feszültség zikai jelenséget használja ki, amit Seebeck-eektusként ismerünk." [13] Ahhoz, hogy a Seebeck-eektust, majd a Peltier-elem m¶ködését is megértsük, kiindulásként meg kell vizsgálnunk az egy atomos H atom energiaszintjeire vonatkozó összefüggéseket. A Bohr-modell keretei között arra az eredményre jutunk, hogy H atom esetén az atom energiája csak a f®kvantumszámtól függ, és diszkrét energiaértékeket vehet fel (nomfelhasadástól és a környezet hatásaitól eltekintünk). E∼

1 n2

(2.1)

Fémek esetén, mivel ott egynél több atomról van szó, az energiaszerkezet bonyolódik. Az N atomból álló rendszerben 1 atomi pálya N pályára hasad szét. Szilárd testekben sok atom van jelen, az elektronpályák már annyi részre hasadnak, hogy az energiaszintek folytonosnak tekinthet®k. Az energia szerkezetben blokkok (sávok) jönnek létre, melyek között energiaugrások, úgynevezett gap-ek vannak. Szigetel®k esetén az anyagra jellemz® energias¶r¶ség egy olyan függvényt rajzol ki, mely helyenként a 0 s¶r¶séget veszi fel. Ez azt jelenti, hogy azon az energián 0 valószín¶séggel vannak jelen az elektronok, vagyis az anyag energia spektrumában egy gap van.

2.2. ábra. Kristályos anyag elektronjainak energiaszerkezete 3 különböz® esetben. A kép forrása: [2] A Fermi energia az abszolút nulla fokon a legmagasabban betöltött energiaszint, vagyis Z

EF

D(E)dE = N

(2.2)

0

ahol N az elektronok számát jelenti, és D(E) az energia állapots¶r¶sége, vagy4

is, hogy adott energián ténylegesen mennyi állapot van jelen. Ha a sávok között nincs gap, akkor azt az anyagot vezet®nek nevezzük, ekkor a vezetési sáv és a kötési (vegyérték) sáv fedi egymást, így az elektronok tudnak delokalizálódni. Míg ha van gap, és nem túl nagy (∼ 1eV ), akkor félvezet®nek nevezzük az anyagot. A h®mozgás energiájához képest túl nagy gap esetén a fém nem tud vezetni, ezeket az anyagokat nevezzük szigetel®knek. (lásd: 2.2. ábra) Ha nem abszolút nulla h®mérsékleten vagyunk, akkor a Fermi energiát kémiai potenciálnak nevezzük, de a h®mérséklet függést is le tudjuk írni. Mivel az elektronok fermionok, így ebben a tárgyalásmódban a Fermi-Dirac statisztikát kell alkalmaznunk. Ekkor egy adott állapot betöltési valószín¶ségét a 2.3. képlettel adhatjuk meg. P (Ei ) =

1 e

Ei −µ kT

+1

(2.3)

Ezt ábrázolva a betöltési valószín¶ség Ei = µ esetén P (Ei ) = 12 , melyet a 2.3. ábrán láthatunk.

2.3. ábra. Fermi-Dirac tárgyalásban a betöltési valószín¶sége egy adott állapotnak. A kép forrása: [1] Ezek után belátható, hogy adott energiaszinten az állapot valószín¶sége a D(E)P (E)dE

(2.4)

szorzatként kapható meg. A µ - kémiai potenciál azt jelenti, hogy egy elektron mennyi energiát veszít, ha a fémhez csatlakozik. A korábbi ábrán látható volt, hogy ez egy konkrét érték, ahol a 5

valószín¶ségi függvény 1-r®l 0-ra csökken a T = 0K h®mérsékletnél. Ha T n®, akkor ez a valószín¶ség függvény szétken®dik, és a teljes részecskeszám a Z

∞

D(E)P (E)dE

N=

(2.5)

0

függvénnyel adható meg. Ha egy fémhez egy elektron csatlakozik, akkor az elektron µ energiát veszít, kötött lesz. Ugyanekkor maga a fém elektromosan töltötté válik, így ha még egy elektron akar csatlakozni a fémhez, annak már munkát kell végeznie, hiszen az elektromos taszítást le kell gy®znie. Belátható, hogy kevés elektron hatására is megn® annyira a feszültség, hogy nem tud több elektron csatlakozni a rendszerhez. A fém azon tulajdonságát, hogy elektromosan töltött állapotban a kívülr®l érkez® elektronnak nagyobb energia befektetésre van szüksége, hogy csatlakozhasson, az energia grakonon úgy ábrázolhatjuk, hogy az egész energiasávot feljebb csúsztatjuk.(2.4. ábra) Két fém csatlakozásakor is a fenti elemi esemény játszódik le. Ekkor a nagyobb kémiai potenciállal rendelkez® fém elektronokat ad át a kisebb kémiai potenciálúnak, ezzel mindkett® elektromosan töltötté válik. Amelyik fémb®l elt¶ntek elektronok, az pozitív lesz, míg amelyik fém kapta az elektronokat, az negatív töltéssel fog rendelkezni. Ez a folyamat egészen addig zajlik, míg a potenciálkülönbségekb®l származó eltolódás eredményeként a két fém elektronjainak energiái azonosak lesznek.

2.4. ábra. Két fém csatlakozásakor kialakuló kontaktpotenciál. A kép forrása: [4]

6

A fémekre jellemz® kémiai potenciál nem változott, viszont a 2.4. ábráról látható, hogy a fémek potenciálváltozása miatt a két oldal között kialakuló potenciálkülönbség megegyezik a kémiai potenciálok különbségével, vagyis: e∆U = e(∆U2 − ∆U1 ) = 2e∆U2 = µ2 − µ1

(2.6)

A két fém között kialakult potenciálkülönbséget nevezzük kontaktpotenciálnak. Ez a feszültség függ a kémiai potenciáltól, amir®l korábban megállapítottuk, hogy a környezet h®mérsékletét®l függ. Tehát ha a Seebeck-eektust szeretnénk kísérletileg is bemutatni, akkor két fémet kell a két érintkezési pontban T1 illetve T2 h®mérsékletre melegíteni, ekkor a két csatlakozási pontnál más kontaktpotenciál fog kialakulni, tehát az egész rendszerben létrejön egy feszültség.

2.5. ábra. Seebeck-eektus egyszer¶ kapcsolási rajza. A rajz forrása: [6] A Peltier-elem a fent leírt jelenség fordítottjaként m¶ködik. Két fémet a 2.5. ábrán is látható módon kapcsolunk össze. Ekkor a rendszerre feszültséget kapcsolva a két fémben lév® kémiai potenciálok kiegyenlít®dnek, és az egyik (például a T1 ) érintkezési pontnál az elektronok a magasabb elektromos potenciálú helyr®l az alacsonyabb felé áramlanak, ez h®leadással jár, tehát ez a pont melegíti a környezetét, míg a másik (például a T2 ) pontban az alacsonyabb elektromos potenciálból mennek a magasabba, ekkor energiát vesznek fel, vagyis h®t vonnak el a környezetükt®l, tehát h¶tik azt.

7

2.3. A demonstrációs ködkamra felépítése A fenti elvet használom ki a ködkamra építésénél, mely közel azonos a hagyományos diúziós ködkamráéhoz. A szerkezet összeállítása során fontos szempont volt, hogy viszonylag olcsó alapanyagokat használjak, hiszen így az elv ismeretében könnyen elérhet®vé és megépíthet®vé válik a ködkamra sokak számára. A mérések során az eredmények függvényében módosult a berendezés felépítése, most a végleges formát írom le. A kezdeti állapot, illetve azok változásának oka a "Mérések" cím¶ fejezetben lesz tárgyalva. A ködkamra érzékeny térfogata egy plexib®l épített négyzet alapú, dupla falú hasáb. A bels® kamra alapja egy 10 cm oldalú négyzet, magassága 15 cm, míg a küls® hasáb 15 cm széles, 20 cm magas plexi lapokból áll. A bels® kamra mind a 4 bels® oldalának tetejére rögzítettem egy lcet, aminek jó a nedvszívó képessége. Ezt kell a bemutató megkezdése el®tt 70%-os etil-alkohollal feltölteni, ami párolog és a kamra h¶lése során túltelített állapotba kerül, és a kamra aljára összegy¶lik, megadva a lehet®séget a kondenzációra. A részecskék pályájának sikeres meggyeléséhez hasznos oldalról megvilágítani a kamrát, melyet a kamra építésénél egy LED-es zseblámpa segítségével oldottam meg.

2.6. ábra. A felépített ködkamra vázlata. A szerkezet legfontosabb része a Peltier-elem, melynek hideg oldala a kamra h¶tésére szolgál. A meleg oldalra egy régi asztali számítógépb®l kiszerelt 6 cm x 8 8

cm alapú, 4 cm magas h¶t®bordát ragasztottam, melyet egy plexi laphoz er®sítettem, így a Peltier-elem a h¶t®bordával együtt egy könnyen mozgatható egységgé változott. A kamrabeli -26◦ C -os h®mérséklet eléréséhez a h¶t®bordát egy edényben tartott jeges vízbe kell meríteni, melyhez a demonstráció megkezdése el®tt szükséges h¶t®ben 1.5 l vizet leh¶teni, illetve jégkockákat készíteni. A meleg oldal h¶tésével a Peltier-elemben a két oldal között kialakuló állandó h®mérséklet-különbség miatt a kamrában elérhet® a kívánt -26◦ C -os h®mérséklet. A h¶t®bordát a Peltier-elemhez h®vezet® ragasztóval rögzítettem, melynek köszönhet®en a Peltier-elem meleg oldalán létrejöv® h®mérséklet szinte teljes mértékben átadódik a h¶t®bordának, mely így el tudja vezetni a h®t az azt körülvev® vízbe, ami így kis mértékben felmelegszik és olvasztja a jeget. A Peltier-elem hideg oldalához egy méretre vágott rézlapot er®sítettem h®vezet® ragasztó segítségével, majd a lemezt matt, fekete festék-spray-vel festettem le, hogy megfelel® legyen a háttér a részecskék pályájának meggyelésére. A rézlemez és a h¶t®bordához rögzített plexi lap között, valamit a plexi lap h¶t®borda fel®li oldalára egy-egy 5 mm vastag méretre vágott hungarocell darabot raktam, mellyel szigeteltem a kamra alját a küls® tért®l, illetve a jeges vízzel teli edényt®l. A Peltier-elem hideg oldalának h®mérsékletét multiméterre kapcsolt K típusú csatlakozós (NiCr-Ni) h®mér® szondával mértem, melyet szintén h®vezet® ragasztóval rögzítettem a Peltier-elem hideg oldalához er®sített rézlemezhez. A h®mérséklet mérésére azért van szükség, hogy tisztában legyünk azzal, hogy elértük-e a szükséges h®mérsékletet.

2.7. ábra. A felépített ködkamra. 9

3. Ködkamra felhasználása az oktatásban

A ködkamra demonstrációs szempontból nem csak a modern zika határain belül lehet kiváló bemutató eszköz, nagyon jól felhasználható a zika számos más területén is érdekes kísérletek bemutatására. A középiskolai zikaoktatás tematikáját követve a ködkamra demonstrációs eszközként szolgálhat az elektromágnesség, a h®tan, és a környezetzika területein is. Ki lehet dolgozni kísérleti (tehát mérési)-, elméleti, azaz számolási-, illetve koncepcionális, vagyis elvi feladatokat is.

3.1. Elektromágnesség témaköre Mivel a ködkamra felépítése során elengedhetetlen, hogy áramkört építsünk, így a zika elektromossággal foglalkozó ága jól szemléltethet® ezzel az eszközzel. A Peltierelem önmagában egy teljes elektromágnességgel kapcsolatos témakört lefed, hiszen a feszültség hatására keletkez® h®mérséklet-különbség a zika egy igen fontos témáját dolgozza fel. Ezek mellett a h®mérséklet méréséhez használt multiméter segítségével a mér®m¶szer használatát is be lehet mutatni.

3.1.1. Áramkörök rajzolása, építése A kamra m¶ködéséhez épített áramkör egy egyszer¶ áramkör kapcsolóval ellátva, melyben telepként egy 12 V-os zselés akkumulátor van elhelyezve, és az egyetlen fogyasztó a Peltier-elem. A diákok érdekl®dését felkeltend® érdemes beépíteni a rendszerbe egy feszültségmér®t, illetve egy árammér®t is, melyekr®l a mért értékeket leolvasva különböz® számolási feladatokat is lehet adni a tanulóknak. A felépített demonstrációs eszközben van egy h®mér® is, mely a mér®berendezés pontosságának megtartása miatt rögzítve van az eszközhöz. A hallgatók egyik feladata lehet a kapcsolási rajz felrajzolása. Ekkor az el®re összeállított demonstrációs eszközt kivisszük a diákoknak, akik a már korábban megtanult kapcsolási rajz szabályait követve (telep, vezeték, kapcsoló, fogyasztó jelölése) le tudják rajzolni az el®ttük lév® berendezést. Másik módja, ha megadott kapcsolási rajz alapján kell az áramkör felépíteniük. Ekkor 5-6 f®s csoportokba rendez®dhetnek, és forgószínpad jelleggel míg mások más feladattal foglalkoznak, ezen az állomáson a kinyomtatott kapcsolási rajz alapján kell el®ször megvitatniuk, majd 10

ténylegesen összeállítaniuk a mér®eszközt. Biztonsági okok miatt természetesen az összeállítás során a telep nem áll a rendelkezésükre, azt csak a tanár kapcsolhatja rá az áramkörre.

3.1.2. Multiméter Korábban már volt szó róla, hogy a rendszerbe be van építve egy h®mérséklet mérésére szolgáló szonda, melynek kivezetése egy h®mérséklet mérésére is alkalmas multiméterhez csatlakozik. A multiméter kapcsolóját a TEMP állásba kapcsolva a m¶szer azonnal kijelzi a szonda által mért h®mérsékletet egész ◦ C -ra kerekítve. Ez a pontosság nekünk elegend®, mivel csak arra szolgál, hogy visszajelzést kapjunk, hogy hány Celsius-fokra h¶lt a Peltier-elem, és ezzel együtt a környezetében lév® alkohol g®z. A beépített feszültség és áramer®sség mér® multiméterek helyes használatához is jó demonstrációs eszköz lehet a ködkamra, hiszen az órán tanult ismereteket felhasználva beépíthet® a párhuzamosan kapcsolt feszültségmér®, illetve a sorba kötött áramer®sség mér® is. Ezeket is lehet a diákokra bízni, hiszen amíg nincs a telep rákapcsolva a rendszerre, addig semelyik m¶szeren, és magukban sem tudnak kárt okozni a hallgatók. A mér®m¶szereket az áramkörbe kapcsolva a 3.1. ábrán látható kapcsolási rajz szerint épül fel a mérési összeállítás.

3.1. ábra. Mér®m¶szerekkel ellátott áramkör kapcsolási rajza 11

Ha elkészült a fent említett áramkör, akkor a tanár rákapcsolhatja a telepet, és megkezd®dhetnek a mérések. A feszültség és az áramer®sség ismeretében számolható a teljesítmény a P = U · I képletet használva, illetve az Ohm törvény alapján az ellenállás az R = UI képletet alkalmazva. A teljesítményt meghatározva kiszámolhatjuk az elektromos munkát is a W = U · I · t képlettel.

3.1.3. Peltier-elem A tanulóknak, bár a fenti mélyebb ismeretek elsajátítására nem lesz lehet®ségük a magas szint¶ elméleti tudás el®feltétele miatt, de alapozó ismereteket adhatunk a kontaktpotenciálról és annak hasznosságáról, szemléletes képet lehet kialakítani a középiskolai szinten is tanult fogalmak segítségével. Elmondhatjuk nekik, hogy két különböz® fémben az elektronok helyzeti és mozgási energiája eltér®, ezen felül különböz® a vegyértékelektronok száma is, így a fémek érintkezésekor ezek kiegyenlít®désére elindul egy elektron áramlás, ami a fémek végpontjai között egy potenciálkülönbséget eredményez. Ez a jelenség alakul ki a Peltier-elemben is, aminek m¶ködése függ a rá kapcsolt feszültségt®l és áramer®sségt®l. Ennek vizsgálatára a hallgatók méréseket végezhetnek a Peltier-elem teljesítményére vonatkozóan. A multiméter helyes használatát megismerve mérhetik a feszültség-áram karakterisztikát. Ezt ábrázolhatják is, és a mérésb®l jegyz®könyvet is készíthetnek, ezzel megtanulva a jegyz®könyv formai követelményeit, valamint a tudományos nyelvhasználatot.

3.2. H®tan témaköre A kamrában lév® alkohol mozgásának okát, illetve a kamra és a környezet közötti kölcsönhatást vizsgálhatjuk a h®tan témakörében. Ennél a témakörnél is m¶ködésbe hozható a demonstrációs eszköz, de ekkor nem a részecskék detektálása a f® cél, hanem a kamrában létrejöv® h®átadás és h®vezetés tanulmányozása. A Peltier-elem h®teljesítményét ki tudják számolni a diákok, azaz, hogy mennyi h® áramlik id®egység alatt a melegebb helyr®l a hidegebb helyre. Ehhez az alábbi egyszer¶ egyenletre van szükség: Q = cm(Tm − Th ),

(3.1)

ahol Q a keresett h®teljesítmény, c az anyag fajh®je [c] = kJ/kgK , m a tömeg12

áram (ami jelen esetben 1) és Tm −Th a meleg oldal és a hideg oldal h®mérsékletének különbsége. Az alumínium kerámialap fajh®je 837 J/kgK [3]. Ezen adatok ismeretében kiszámolható a h®teljesítmény.

3.2.1. Diúzió A kamrában lév® alkohol a fent elhelyezett lcb®l a lent lév® fekete rézlap felé mozog. Ennek oka a diúzió. A diúzió egy anyagáramlással járó folyamat, melyet a koncentráció különbség okoz, vagyis, hogy a nagyobb koncentrációjú hely fel®l a kisebb koncentrációjú hely felé áramlik az anyag. A ködkamrában lév® alkohol diúzióját kétféle diúzió is okozhatja. Egyrészt mivel az alkohol kezdetben a kamra fels® részében van, így a rendszerben koncentrációgradiens jön létre. Ez okozza a diúziót, mely során a fenti nagyobb koncentrációjú helyr®l a lenti kisebb felé áramlik az alkohol. Másik oka a diúziónak a h®mérséklet különbség. A fenti melegebb közegb®l a lenti, hideg terület felé áramlik az anyag, ez a jelenség a termodiúzió. A diúzió leírásához a Fick által megfogalmazott törvényt használjuk. Fick I. törvénye [19] : J = −D

dC , dx

(3.2)

ahol J az egységnyi felületen id®egység alatt átdiundáló anyag tömege, D a diúziós állandó, C az anyag koncentrációja, dC pedig a koncentráció gradiense. dx Középiskolában a diákok még nem, vagy csak a tanulmányaik vége felé tanulnak deriválni, de a dierenciálegyenleteket még akkor sem tanulják, így a középiskolai tankönyvekben, illetve a függvénytáblázatban [18] található deníciós képlet a diúzióra: ∆m ∆C = −DA ∆t ∆x

(3.3)

Ahol ∆m az id®egység alatt átdiundált anyag tömege, D a diúziós állandó, A ∆t a keresztmetszet, amin a diúzió történik és ∆C a koncentrációgradiens. ∆x A diákok ezzel a képlettel számolhatnak akár diúziós állandót, vagy s¶r¶séggradienst, vagy bármelyik tényez®t, attól függ®en, hogy a tanár mit ad meg. Mivel ezek a tényez®k a kísérletben nem mérhet®k, így közvetlen mérési eredményekre 13

nem tudnak jutni a tanulók, de a képletet és annak gyakorlati hasznát megérthetik a ködkamra segítségével.

3.2.2. H®vezetés Gázokban a h® terjedésének egyik formája a h®vezetés, vagy más néven konduktív h®átadás, ahol nincs anyagáramlás, a bels® energia a részecskék h®mozgásával terjed. " A Fourier-féle hipotézis szerint a dA elemi izotermikus felületen dτ id® alatt átáramló dQ h®mennyiség arányos a T h®mérséklet gradiensével, vagyis dQ = −λgradT, dAdτ

(3.4)

ahol lambda egy arányossági tényez®, mely jellemzi az adott anyag h®vezetési képességét, így h®vezetési tényez®nek nevezzük. A h®vezetési tényez® értéke függ az anyag fajtájától, h®mérsékletét®l és kis mértékben a nyomástól is. Gázoknál a h®mérséklet növekedésével a h®vezetési tényez® n®. " [15] A h®vezetés általános dierenciálegyenlete: ∂T = −λ∆T ∂τ

(3.5)

Ahhoz, hogy ebb®l az általános esetb®l konkrét példákra is alkalmas egyenletünk legyen, kezd®feltételeket kell megadnunk. Jelen esetben ez azt jelenti, hogy T (0) = T1 és T (L) = T2 , vagyis a kamra tetején van egy T1 ∼ 24◦ C , ami a környezet h®mérséklete, míg a kamra alján a leh¶tött T2 ∼ −26◦ C h®mérséklet. Ezen felül a tömegmegmaradás miatt a koncentráció árams¶r¶sége állandó. A dierenciálegyenlet akkor, amikor x, y koordináták szerint invariáns a rendszer: ∂T d2 T = −λ 2 ∂τ dx

Ha feltesszük, hogy egyenletet kapjuk:

∂T ∂τ

(3.6)

= 0, akkor az alábbi egyszer¶ másodrend¶ dierenciáld2 T 0 = −λ 2 dx

(3.7)

Ennek a megoldása egy lineáris függvény, mivel ennek a függvénynek a második

14

deriváltja nulla. Így a megoldás: T = T2 −

T2 − T1 , L

(3.8)

Ahol L a ködkamra magassága, vagyis 15 cm. Amennyiben középiskolában már elemi szinten tanultak deriválni, úgy ezzel a gondolatmenettel el lehet jutni oda, hogy a dierenciálegyenlet megoldása egy lineáris függvény, de a számolások nélkül is meg lehet tanítani a h®vezetés elvi hátterét, melyhez igen jó példa a ködkamra.

3.2.3. H®átadás "A h® terjedésének általános formája a h®átadás, mely az alapvet® h®terjedési módok (h®vezetés, konvekció, h®sugárzás) kombinációjából felépül® bonyolult zikai folyamat." [10] Speciális eset, amikor a h®vezetés 2 különböz® felület határán történik. Ezt hívjuk most általánosan h®átadásnak. A T h®mérséklet¶ felületr®l a Tk környezetnek id®egység alatt átadott h®re gimnáziumban is használható képlet: Q˙ = αA(T − Tk ),

(3.9)

ahol alfa a h®átadási tényez® [α] = mW2 K ; A a h®átadási felület. A h®átadási tényez® sok jellemz® függvénye, α = f (w, λ, µ, ρ, ...). Ezekhez a számolásokhoz is magasabb szint¶ matematikai ismeretek szükségesek, viszont az elmélet ekkor is érthet®vé és kézzel foghatóvá válik, hiszen látjuk, hogy a kamra fala és a kamrában lév® alkohol g®z és leveg® között h®átadás megy végbe, csakúgy mint a rézlap és az alkoholg®z között, hiszen, ha nem h¶lne le a g®z, akkor nem tudna a kondenzáció létrejönni a kamrában.

3.3. Modern zika témaköre A ködkamra els®dlegesen természetesen a modern zikai folyamatok demonstrálására szolgál. A zika tankönyvekben szó esik a legalapvet®bb ionizáló sugárzásokról, ezek közül néhány nyomai a ködkamrában is láthatók. Az atommag szerkezetét tanulmányozva megismerkednek a hallgatók a nukleonokkal (vagyis a protonnal és a neutronnal) valamint az elektronnal. A radioaktív bomlások fajtáit részletezve ismertetem a ködkamrában is detektálható részecskéket és azok tulajdonságait. 15

A radioaktivitás az atommagok spontán átalakulása, és az átalakuláskor keletkez® sugárzást nevezzük radioaktív sugárzásnak. A ködkamrában meggyelhet® radioaktív sugárzások a természetes radioaktivitás γ sugarai, a β bomlás elektronjai, a Radon bomlásakor keletkez® α részecskék, valamint a kozmikus müon. Ezek energiáit ismerve a ködkamrában látható nyomvastagságot és a görbülést meggyelve következtethetünk valamelyik részecskére.

3.3.1. Az α-bomlás Az α-sugárzást alkotó részecskék a nagy energiájú He atommagok. Ezek az anyagban lefékez®dve semleges hélium atommá alakulnak át úgy, hogy két elektront felvesznek a környezetb®l. Az α-részecskéknek nagy az ionizáló képességük, ezért rövid úton, leveg®ben néhány centiméteren beül elvesztik energiájukat, mely kezdetben 4-7 MeV volt. Az α-részecskék a ködkamrában igen jól elkülöníthet®k és detektálhatók, mivel ez az egyetlen kétszeresen pozitív radioaktív sugárzás, ezért jellegzetes nyomot hagy a ködkamrában. A 3.2. ábráról is látható, hogy ez egy 2 − 3 cm hosszú, viszonylag vastag nyom. Az α-részecske er®sen ionizáló hatása miatt sok részecskét ionizál a kamrában, amik kondenzációs magként m¶ködnek így megy végbe rajtuk a kondenzáció, aminek eredményeként s¶r¶, vastag ködcsíkot láthatunk. A demonstrációt el®segíti, ha a ködkamrát mágneses térbe helyezzük, mivel az α-részecske kétszeresen pozitív, így a mágneses térben a Lorentz-er® hatására a részecske pályája elgörbül.

3.2. ábra. α-részecske a ködkamrában 16

3.3. ábra. α-részecske a ködkamrában

3.3.2. A β -bomlás A β -sugárzást alkotó részecskék az elektronok, melyek ionizáló képessége gyengébb, mint az α-részecskéké, ezért a sugárzás az anyagban hosszabb utat tesz meg, körülbelül 5 − 6 cm-t, majd elveszti energiáját, mely igen tág határok között a 6 KeV és 6 MeV tartományon belül változhat. Az elektronok a ködkamrában már kevésbé egyértelm¶en meghatározhatók küls® mágneses tér nélkül. Mágneses teret alkalmazva, a Lorentz-er® miatt az elektron pályája az alfával ellentétes irányban görbül. Ekkor még mindig lehet, hogy müont látunk, mivel ennek töltése megegyezik az elektronéval, viszont a müon tömege közel 200-szor akkora, így a görbületi sugár meghatározásával egyértelm¶vé tehet® a kérdés.

3.4. ábra. β -részecske a ködkamrában 17

3.5. ábra. β -részecske a ködkamrában

3.3.3. A γ -bomlás γ -sugárzás a természetben önállóan nem jön létre, mindig csak α- vagy β -sugárzás

kísér®jeként jelenik meg. A γ -sugárzás a legkevésbé ionizáló hatású, így ez jut az anyagokban a legmesszebb, nagy az áthatoló képessége. Igen vastag (10 − 20 cm-es) ólomlemez vagy több méter vastag betonfal nyeli el ezt a sugárzást. Mivel igen kicsi az ionizáló képessége (semleges töltés¶ részecske), így ez a ködkamrában nem detektálható közvetlen módon. γ -sugárzásnál nincs szó atommagátalakulásról, mivel sem a tömegszám, sem a rendszám nem változik, ebben az esetben a gerjesztett atommag egy γ fotont bocsájt ki. Reakcióegyenlete: A ∗ ZX

→A Z X + γ,

(3.10)

A gamma sugárzás kölcsönhat az anyaggal három féle módon, így detektálható is lehet. Fotoeektus során a gamma-foton teljes energiáját átadja az elektronnak, ami ha elegend® energiát kap, akkor kilép az atommag kötéséb®l és elhagyja azt. Compton-eektus során a beérkez® gamma-foton az elektronon szóródik, energiája csökken, mozgásiránya megváltozik. Ezekben az esetekben a "semmib®l" keletkez® elektront láthatjuk a ködkamrában. A harmadik típusú kölcsönhatás a párkeltés, ahol atommag vagy más részecske közelében a foton energiája egy elektron-pozitron pár keltésére és mozgási energiájára fordítódik. Ezt a ködkamrában egy, a "semmib®l" létrejöv® ellentétes irányú mozgásként láthatjuk.

18

3.3.4. A kozmikus sugárzás A kozmikus sugárzás a Földön kívülr®l érkez® nagyenergiájú részecskékb®l áll. Ezeknek f® forrása a Napnak nagyenergiájú folyamataiból ered, de érkezhetnek részecskék a Napon túlról is, a belátható világegyetem minden részér®l. A kozmikus sugárzás primer komponensei azok a részecskék, melyek a világ¶rb®l érkeznek a Földre. Ezek nagy része (90%-a) proton, ezen kívül van még alfa-részecske és minimális mennyiség¶ ennél nehezebb részecske. A primer kozmikus sugaraknak csak igen kis hányada jut el a földfelszínre, mivel a részecskék többsége már nagy magasságban ütközik a leveg® molekuláival, és a létrejöv® részecskék haladnak tovább. [8] A primer komponenseknek az atmoszférát alkotó részecskékkel való ütközése során létrejöv® részecskéket hívjuk szekunder komponensnek. Ezek f®ként pionok és kaonok, melyek tovább bomlanak, és a tenger szintjére eljutó szekunder komponensek között már a müon dominál. A müon az elemi részecskék közül a fermionok második családjába tartozó lepton. A müon keletkezhet például elektromosan töltött π ± pion bomlásából, míg müon bomlásakor ( µ− → e− + νµ + νe ) elektron, müonneutrínó és antielektronneutrínó keletkezik. A müont (µ) a ködkamrában is meg lehet gyelni. Töltése az elektronéval megegyez®, ám tömege közel 200-szor akkora, és leggyakrabban hosszú, ütközésekt®l mentes pályán halad szemben az elektronnal, így a ködkamrában egyértelm¶en beazonosítható.

3.6. ábra. Müon a ködkamrában

19

3.4. A környezetzika témaköre A környezetünkben a mesterségesen el®állítható radioaktív sugárzások mellett természetes módon is jelen vannak radioaktív anyagok, ezeket természetes háttérsugárzásnak hívjuk, melyek egy része detektálható ködkamrával. A diákok ebben a témakörben megismerkedhetnek a radioaktivitás fogalmával, valamint megtanulhatják a sugárzások biológiai hatásait, illetve, hogy hogyan védekezhetnek a különböz® sugárzások ellen.

3.4.1. A radioaktivitással kapcsolatos fogalmak Radioaktív sugárzás szinte mindenhol megtalálható körülöttünk, a leveg®ben a földben, a vízben, s®t még saját magunkban is. A sugárzás egy része a földb®l származik, jelent®s a radioaktív radon nemesgáz, mely a földb®l, valamint az épít®anyagokból is bekerül a légkörbe. Másik földközeli sugárzás a 40 K radioaktív izotóp, ami nem csak a földben, hanem az emberi szervezetben is jelen van. Ez az izotóp a stabil káliummal együtt kerül be a szervezetbe. Kis mennyiségben megtalálható a természetben 3 H (trícium), mely a légköri gázok és a kozmikus sugárzás kölcsönhatásában keletkezik. Ugyanilyen módon keletkezik a 14 C izotóp is, mely a radioaktív kormeghatározás alapja. A 14 C/12 C izotópok aránya az él® szervezet halála után már nem lesz állandó, az 5736 év felezési idej¶ 14 C izotóp mennyisége a radioaktív bomlás következtében csökken, így a szervezetben az aktivitást vizsgálva megállapítható a lelet kora.

3.4.2. A radioaktív sugárzás biológiai hatásai A radioaktív sugárzások biológiai hatása nem elhanyagolható. "A sugárzások által okozott ionizáció révén a sejtekben ionok és szabad gyökök keletkeznek, melyek a sejt egyedi m¶ködésében zavarokat okozhatnak. Ha sok sejtben következik be m¶ködési rendellenesség, akkor az él®lénynél a sugárzást követ®en különböz® tünetek formájában jelentkezik."[9] A sugárzás hatásának két f® fajtáját különböztetjük meg: az egyik a genetikus, mely az utódokon jelentkezik, a másik pedig a szomatikus, ami a sugárzást ér® egyeden jelentkezik. Attól függ®en, hogy mikor jelentkeznek a hatások, megkülönböztetünk akut, tehát azonnal jelentkez® tüneteket eredményez® sugárzást, ezek determinisztikus hatások. A tünetek súlyossága ekkor annál nagyobb, minél nagyobb az él® anyag egységnyi tömegében elnyel®dött sugár20

zási energia. Vannak a kés®i, tehát akár évek múlva jelentkez® tüneteket eredményez® sugárzások, ezek pedig a sztochasztikus hatások. Ekkor a sugárzás bekövetkezésének a valószín¶sége arányos a dózissal. Kés®i hatás például a rosszindulatú, rákos daganat, míg a koraiba tartozik a b®rrák, sterilitás vagy a szürke hályog keletkezése. A biológiai hatások és az elnyelt sugárzás közötti kapcsolat mennyiségi jellemzésére két fogalmat is használunk. Az elnyelt dózis (D) az anyagban tömegegységenként E J elnyelt energia, vagyis : D = m . Mértékegysége kg vagy más néven Gray (Gy). A sugárzás fajtáját is gyelembe vev® dózismennyiség a dózisegyenérték (H), amely a sugárzás biológiai hatását is leíró mennyiség, vagyis: H = DQ, ahol Q a sugárzás J vagy más néven Sievert (Sv). károsító hatásának súlyozótényez®je. Mértékegysége kg

3.4.3. Sugárvédelem Abban az esetben, ha a demonstráció során a kísérletez® radioaktív forrást is használna a ködkamrában, hogy a preparátumból a bomlás során keletkez® részecskéket meggyelhesse, úgy igen fontos tudni a sugárvédelemr®l, hogy milyen óvintézkedésekre, megel®z® lépésekre van ekkor szükség. A legfontosabb megtanítani a diákokat a sugárvédelem hármas alapelvére:[14] • indokoltság elve:

Sugárzással járó tevékenységet csak olyankor szabad folytatni, ha annak eredményei nagyobb pozitivitással járnak mint a személyi sugárterhelés negatívumai. • ALARA (As Low As Reasonably Achievable) elv:

Minden indokolt sugárterhelést olyan alacsony szintre kell csökkenteni, amennyire az a gazdasági és társadalmi szempontok gyelembevételével ésszer¶en lehetséges. • Dóziskorlátozás:

Az egyéni sugárterhelés dózisegyenértéke nem haladhat meg egy megállapodott határértéket.

21

Ezen felül vannak még lakossági és foglalkozási sugárterhelésre vonatkozó dóziskorlátok, melyeket be kell tartani minden területen. Ilyen például, hogy a lakossági sugárterhelés maximum 5 mSv eektív dózis egy évben. A sugárvédelem legegyszer¶bb módszerei között szerepel a távolságvédelem, azaz, hogy a lehet® legtávolabb tartózkodjunk a sugárzó anyagtól, és minden esetben próbáljunk távolról dolgozni vele (csipesz, robotika). Másik ésszer¶ módszer az id®védelem, vagyis hogy a legrövidebb ideig legyünk a sugárzó anyag közelében, minden mérést és vizsgálatot el® kell készíteni, hogy gördülékeny legyen a munka. Fontos továbbá, hogy használjunk árnyékoló anyagokat, amelyekben a sugárzás elnyel®dik. A sugárterhelés mértékének kimutatására a doziméterek szolgálnak, amelyekkel közvetlenül az elnyelt dózist mérhetjük. Ezek között a doziméterek között megkülönböztetünk személyi és területi dózismér®t. A dózismérés célja, hogy gyelemmel kövesse a mér®eszközt visel® személy dózisát, azaz utólag meghatározhatóvá váljon, hogy mekkora sugárterhelést kapott valaki. A mai modernebb eszközök között már akad olyan is, amely azonnali válaszreakciójú, így az értékek viselés közben is leolvashatók. Dózismér® eszközök például a lm-dózismér®k (lásd: 3.7. ábra), ahol kis ablakok vannak, amin keresztül láthatóak lesznek a különböz® anyagok melyek eltér®en reagálnak adott energiára.

3.7. ábra. Film-dózismér®. Az ábra forrása: [14]

22

4. Mérések a ködkamrával

4.1. Peltier-elem el®készít® lépései Ahhoz, hogy megtudjam, hogy miként lehetne felhasználni a Peltier-elemet úgy, hogy az a legegyszer¶bben és legjobban h¶tse a közeget, méréseket kellett végeznem. Ezért vettem egy TEC1-12706 típusú Peltier-elemet, mely egy 40 mm x 40 mm-es négyzet alapú 3.8 mm magas hasáb [16], melyre maximálisan 14.4 V feszültség kapcsolható. El®ször megvizsgáltam az elem karakterisztikáját, hogy adott feszültség hatására a két oldal között mekkora h®mérséklet-különbség alakul ki, majd az eredmények függvényében beépítettem a ködkamrába.

4.1.1. Peltier-elem h¶tésének vizsgálata (I.) •

A Peltier-elemre kapcsolt 6.6 V feszültség mellett

A Peltier-elemre kapcsolt feszültség hatására az elem két kerámialapja között kialakul valamekkora h®mérséklet-különbség. Ezt a ∆T -t határoztam meg az alábbiak szerint. A telepre els® próbálkozásként 4 ceruzaelemet kötöttem sorba, ez adta az összesen körülbelül 6.6 V telepfeszültséget, mellyel a kísérletsorozatot végeztem. A mérést minden esetben ugyanabban a teremben, egymást követ®en végeztem, így a környezeti hatásokat azonosnak tekintettem. A Peltier-elem kerámialapjainak h®mérsékletét lézeres h®mér®vel, az id®t stopper órával mértem. El®ször a meleg oldal h®mérsékletét mértem egymás után három sorozatban, majd a hideg oldalt szintén három sorozatban. Egy sorozat körülbelül 1 percig tartott, mivel ekkorra a meleg oldal 62 ◦ C -ra melegedett, az adatokat pedig 2 másodpercenként jegyeztem fel. A mérés során a kijelz®n lév® értékeket és a stopper idejét egyszerre egy fényképez®géppel videóra vettem, így pontosan tudtam a mért eredményeket lejegyezni. A mérés vázlatát a 4.1. ábra mutatja. A két oldalon mért értékeket átlagoltam, és ezzel számoltam az eredmények kiértékelésekor. Ha feltételezzük, hogy a hideg oldalt vizsgáló méréssorozatban a meleg oldal mért h®mérséklete ugyanaz, mint ahogyan a meleg oldal méréséb®l ezt látjuk, akkor a két oldal méréseinek átlagát ábrázolhatjuk közös koordináta-rendszerben. Ezt a 4.2. ábra mutatja. 23

4.1. ábra. A mérés vázlatos rajza. 65

meleg oldal hőmérsékletének átlaga hideg oldal hőmérsékletének átlaga

60 55 50

T[°C]

45 40 35 30 25 20 15 0

10

20

30 t[s]

40

50

60

4.2. ábra. TEC1-12706-os Peltier-elem hideg és meleg oldali h®mérséklete a bekapcsolás után, közös ábrán, 6.6 V telepfeszültség mellett, 3-33 mérési sorozatra átlagolva Az ábráról könnyen látható, hogy a két oldalon a h®mérséklet-id® függvény meredeksége 10 másodperc elteltével közel azonossá válik, tehát ennyi id® alatt beáll egy ∆T h®mérséklet-különbség, ezután a Joule-h® az egész rendszert melegíti. Az adatokat kielemezve (meredekségüket egyenes illesztéssel mérve) azt az eredményt kaptam, hogy a két oldal közötti h®mérséklet-különbség körülbelül 30◦ C -os. Ez azt 24

jelenti, hogy ha a meleg oldalt le tudom h¶teni 0◦ C környékére és ezen a h®mérsékleten tudom tartani, akkor elérhet® a hideg oldalon a kívánt -26◦ C h®mérséklet.

4.1.2. Peltier-elem h¶tésének vizsgálata (II.) •

A Peltier-elemre kapcsolt 12 V feszültség mellett

Nagyobb h¶tési teljesítmény vizsgálata érdekében egy újabb mérési sorozatot végeztem, ahol 12 V feszültséget kapcsoltam a Peltier-elemre (ez közel az el®z® érték kétszerese). A mérési összeállítás megegyezik a korábbi méréssel, mindkét oldalnál három mérési sorozatot végeztem, a kerámialap h®mérsékletét lézeres h®mér®vel mértem, viszont ennél a méréssorozatnál a videóra rögzített adatokat 1 másodpercenként jegyeztem fel, mert a változás lényegesen gyorsabb volt, mint a korábbi mérésnél. Egy mérés során összesen fél percig rögzítettem az adatokat, mivel ekkor már a meleg oldal h®mérséklete körülbelül 100 ◦ C -os volt. A bekapcsolást követ® els® néhány másodpercben láthatóvá vált az el®z® méréshez képest az eltérés, hiszen míg a 6.6 V feszültség hatására a Peltier-elem az els® 10 másodpercben körülbelül 20◦ C -ot melegedett, addig ebben a mérésben közel 40◦ C -ot melegedett a kerámia lap. A két oldal méréseit átlagoltam, és közös koordináta-rendszerben ábrázoltam, melyet a 4.3. ábra mutat. 110

meleg oldal hőmérsékletének átlaga hideg oldal hőmérsékletének átlaga

100 90 80

T[°C]

70 60 50 40 30 20 10 0

5

10

15

20

25

t[s]

4.3. ábra. Hideg és meleg oldal közös ábrán 12 V telepfeszültség mellett Ebben az összeállításban is látható, hogy a h®mérséklet-id® függvény meredeksége 5 másodperc után közel azonos. Az adatokat elemezve arra az eredményre ju25

tottam, hogy a két oldal közötti h®mérséklet-különbség körülbelül 60◦ C -os. Összességében arra következtettem, hogy a Peltier-elemre 12 V-ot kapcsolva elégséges, ha a meleg oldalt szobah®mérsékleten tartom, mert a kialakult h®mérséklet-különbség miatt a hideg oldal el fogja érni a -26◦ C -ot.

4.2. Ködkamra h¶tött lapjának mérése az els® prototípussal A fenti el®készít® méréseket elvégezve arra az elhatározásra jutottam, hogy a 12 V-os telepet használva a kamra belsejében elérhet® a kívánt -26◦ C -os h®mérséklet, ezért összeállítottam a ködkamrát. A ködkamra felépítése sokban hasonlított a végleges állapothoz, de ekkor még nem volt dupla falú a kamra. A 15 cm x 15 cm-es plexib®l készített kamrát használtam egy bele illeszked® feketére festett rézlappal, melyre a h®mér® szondát rögzítettem h®vezet® ragasztóval. A rézlemez és a plexi lap közé 5 mm vastag hungarocellt raktam szigetelés céljából. A 6.5 cm x 6.5 cm alapú, 2.5 cm magas h¶t®bordát jeges vízbe merítettem, ezzel az elrendezéssel végeztem a kísérletet.

4.4. ábra. A mérési elrendezés vázlata

26

A kísérlet elvégzése során több észrevételt is tettem. Legfontosabb tapasztalatom az volt, hogy a kamra alján lev® leveg® h®mérséklete nem érte el a -26◦ C -ot. Az eszköz 8 percnyi m¶ködése után egyértelm¶en elértem az elérhet® legalacsonyabb h®mérsékletet, ekkor -18◦ C volt a rézlemez h®mérséklete. Másik fontos észrevételem volt, hogy a plexi igen er®sen h¶lt, ami a küls® falon is kézzel megérintve érzékelhet® volt, tehát a plexi falán át nagy volt a h®átadás, így a Peltier-elem által létrehozott hideg átadódott a küls® környezetnek. Ennek megfékezésére építettem a kamrához egy második falat, így a dupla falú kamra bels® falán kevésbé lesz nagy a h®átadás, egy kvázi szigetel® réteget hoztam létre a két fal között. Észrevettem továbbá, hogy ha a rézlemez és a tartó plexi (a 4.4. ábrán 5. pont) közötti szigetelést megkétszerezem, akkor azzal elérhetem, hogy a kamrában létrejöv® hideg leveg®t ne melegítse fel a h¶t®borda fel®li küls® tér. Megvizsgáltam a h¶t®bordát, és arra a konklúzióra jutottam, hogy amennyiben lehetséges, a h¶t®bordának növelni kell a méretét, hiszen ekkor nagyobb felületen tudja a Peltier-elem meleg oldaláról elvezetni és leadni a h®t, ezzel a hideg oldali h¶tést el®segítve.

4.3. TEC1-12708 típusú Peltier-elem vizsgálata Mivel a korábbi kísérleti összeállításban nem értem el a -26◦ C -ot, ezért vettem egy nagyobb teljesítmény¶, TEC1-12708 típusú Peltier-elemet mely 40 mm x 40 mm-es négyzet alapú, 3.5 mm magas hasáb, melyre maximálisan 15.4 V feszültség és 8.5 A áramer®sség kapcsolható. [17] Abban a reményben vettem az új elemet, hogy ezzel, és a korábban kigondolt módosításokkal együtt már el tudom érni a kívánt -26◦ C -os h®mérsékletet. Az új elem tulajdonságait is mérésekkel állapítottam meg a korábbiakhoz hasonlóan. Lézeres h®mér®vel mértem mind a meleg, mind a hideg oldal h®mérsékletét három sorozatban, melyek átlagával számoltam tovább, ezen adatok a 4.1. táblázatban láthatók. A méréseket egy helyen, egymás után végeztem, így a környezeti hatásokat azonosnak tekinthettem. Mindkét oldal h®mérsékletét másodpercenként jegyeztem fel videó segítségével, és összesen 25 másodpercig mértem, mivel ekkor a meleg oldal elérte a közel 100◦ C -os h®mérsékletet. Itt is feltételezhetjük, hogy a hi27

deg oldalon mért h®mérséklet mérésekor a meleg oldal úgy viselkedik, mint ahogyan a meleg oldal méréséb®l ezt látjuk, ezért a két oldal méréseinek átlagát ábrázolhatjuk közös koordináta-rendszerben, melyet a 4.5. ábra mutat. t [s]

meleg oldal

t [s]

meleg oldal

t [s]

hideg oldal

t [s]

hideg oldal

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

26.2 36.6 42.6 49.53 54.2 57.4 59.66 63.86 66.06 68.53 71.73 72.4 75

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

79.06 80.86 82.73 85.53 86.86 88.93 90.5 91.66 92.83 94.13 94.1 96.45 98

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

26.33 20.66 16.8 15.06 14.66 15.2 16.93 18.2 19.93 21.26 23.46 24.46 26.86

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

28.6 30.2 32.46 33.93 35.6 37.2 39.33 41.53 43.03 44.33 46.4 48.13 49.13

T [◦ C]

T [◦ C]

T [◦ C]

T [◦ C]

4.1. táblázat. Az új Peltier-elem hideg és a meleg oldalán mért h®mérsékletek átlaga

100

meleg oldal hőmérsékletének átlaga hideg oldal hőmérsékletének átlaga

90

80

T[°C]

70

60

50

40

30

20

10 0

5

10

15

20

25

t[s]

4.5. ábra. Az új Peltier-elem hideg és meleg oldalának átlagos h®mérséklete közös ábrán 28

A képr®l látható, hogy kevesebb, mint 5 másodperc alatt létrejön a hideg és a meleg oldal között egy közel állandó ∆T h®mérséklet, melynek értékét úgy határoztam meg, hogy a két oldal különbségét ábrázoltam, és egy konstans függvényt illesztettem a T ≥ 7◦ C adatokra , ez a 4.6. ábrán látható. 60

illesztett egyenes a két oldal hőmérsékletének különbsége

50

Tmeleg−Thideg [°C]

40

30

20

10

0 0

5

10

15

20

25

t[s]

4.6. ábra. Az új Peltier-elem hideg és meleg oldali h®mérsékletének különbsége Az illesztés eredményeként megkaptam, hogy a szobah®mérsékleten vizsgált Peltierelem két oldala között a h®mérséklet-különbség ∆T = 49.2◦ C . Bár ez kevesebb, mint a TEC1-12706 típusú Peltier-elemmel mért h®mérséklet-különbség, mégis mivel a h®átadó képessége nagyobb ennek az elemnek, ezért az összeállított demonstrációs eszközben a h®átadás eredményesebb lesz, így a kamra jobban le tud majd h¶lni. 50

illesztett görbe adatok

Tmeleg−Thideg+49.21 [°C]

40

30

20

10

0

−10 0

5

10

15

20

25

t[s]

4.7. ábra. A kialakuló h®mérséklet különbség exponenciális id®függése 29

A h®mérséklet-különbségb®l kivonva az el®bb kapott ∆T = 49.2◦ C -ot a 4.7. ábrán azt láthatjuk, hogy a kialakuló ∆T exponenciálisan jön létre az id® függvényében. Az adatokra egy f (x) = a · exp(b · x) függvényt illesztettem. Az illesztés után a függvény paramétereit meghatároztam, így az illesztett függvény: f (x) = 49.2 · exp(−0.3857x), ahol x az x tengelyen ábrázolt id®t jelenti.

4.4. Valódi mérések a ködkamrával A fenti mérések eredményekét összeállítottam a "bevezetésben" leírt demonstrációs ködkamrát, mellyel már elvégezhettem a ködkamra modern zikai kísérleteit. A bels® kamrában lév® lcet megtöltöttem 70%-os etil-alkohollal, majd ráraktam a kamrát a rézlemezre, és a második kamrával létrehoztam a dupla falú meggyel® részt. A kamra alatti dobozt megtöltöttem jeges vízzel, és rátettem a fels® szerkezetet. A Peltier-elemre a 12 V feszültséget kapcsolva körülbelül 10-15 perc elteltével (a rézlapra er®sített h®mérsékletmér® segítségével) láthatóvá vált, hogy a rézlap h®mérséklete beállt egy konstans -27◦ C -os h®mérsékletre, a kamrában pedig ennek következtében láthatóvá vált a köd, és a rajta áthaladó részecskék hatására meggyelhet® volt a kondenzáció, így a részecskék pályája is. A kamrában lév® leveg®ben található elektronok miatt a kamra nem tökéletesen semleges töltés¶, így az ezeken az elektronokon kondenzálódó alkohol miatt a kamra alsó rétege zavaros, nem láthatóak tisztán az áthaladó részecskék. Ennek kiküszöbölésére egy PVC csövet sz®rmével dörzsölve elektrosztatikusan feltöltünk. A feltöltött PVC csövet a kamrához közelítve azt tapasztaljuk, hogy a kamrában lév® teret kitisztítja, ezzel a zavaros területet tisztává teszi, és a kondenzáció szinte csak az áthaladó részecskék hatására jön létre. 5. A ködkamra összeállítása

Számos kísérlet és meggyelés után elkészült a Peltier-elemmel h¶tött ködkamra, melyben a h®mérséklet a m¶ködése során a kamrában eléri a -26 ◦ C -ot, így megfelel® a h®mérséklet a túltelített alkohol g®z kialakulásához, melyen az áthaladó részecskék hatására kondenzáció jön létre, és meggyelhet® lesz a részecskék pályája. Ennek a ködkamrának az összeállításához a következ®ekben pontos leírást adok, melynek segítségével beszerezhet® és megépíthet® a ködkamra. 30

5.1. A ködkamra összeállításához szükséges anyagok A ködkamrához szükséges alapanyagok: plexi lap; lc; rézlap; fekete, matt festék-spray; TEC1-12708 típusú Peltier-elem; szigetel® hungarocell; h®vezet® ragasztó; szilikon ragasztó; h¶t®borda; h®mérésre is alkalmas multiméter és a hozzá tartozó K-szonda; m¶anyag doboz; jég és víz; akkumulátor; PVC cs® és sz®rme; elemlámpa; vezetékek; kapcsoló; pillanatragasztó; alkohol. A beszerzend® anyagok mennyisége és ára az 5.1. táblázatban szerepelnek (az árak Forintban értend®k és csak tájékoztató jelleg¶ek, természetesen mindenki a maga által megválasztott anyagokat használja). A táblázat írásakor feltételeztem, hogy minden középiskolában található 12 V-os zselés akkumulátor (melynek piaci ára 4000 Ft) illetve PVC cs® (piaci ára kb. 400 Ft) és sz®rme.

Eszköz

plexi lap lc rézlap h®álló, fekete, matt festék-spray TEC1-12708 típusú Peltier-elem szigetel® hungarocell h®vezet® ragasztó szilikon ragasztó h¶t®borda multiméter m¶anyag doboz jégkockatartó elemlámpa vezetékek kapcsoló pillanatragasztó 70 %-os hígított etil alkohol összesen:

mennyiség típus 2 db 1db 1 db

2600 cm terület 15 cm x 15 cm 10 cm x 10 cm Motip 2

1 db 2 db 1 db 1 db 1db 1 db 1 db 1 db 1 db 1 db 1 db 1 db

ár (Ft) 700 800 1300 1400 6000

15cm x 15 cm AG TermoGlue 310 ml-es FBS 40 mm magas legalább 40x40-es Mastech MY-64 4 l-es LED 3 Watt 1 méter billen®s Gorilla Super Glue 50 g

700 1500 1700 1300 8600 600 400 3500 400 300 1700 600 31 500

5.1. táblázat. A Peltier-elemhez szükséges eszközök tájékoztató jelleg¶ ára 31

5.1. ábra. A felépített ködkamra vázlata Az összeállítás a következ® lépésekb®l áll: 1. H¶t®egység összeállítása A tartó plexit (5.) méretre (25 cm x 25 cm) kell vágni, majd a közepére egy a Peltier-elemmel megegyez® méret¶ lyukat kell vágni. Ezután a Peltierelemet(4.) a h¶t®bordához (6.) kell rögzíteni h®vezet® ragasztó segítségével. Érdemes a Peltier-elemet el®tte tesztelni, hogy megvizsgáljuk milyen bekötés hatására melyik oldal melegszik, és a meleg oldalt kell a h¶t®bordához rögzíteni. A ragasztó kötési ideje 8-10 perc, de érdemes hosszabb id®re, 2-3 órára magára hagyni, hogy a rögzítés biztosan megtörténjen. Ha ez megtörtént, akkor a tartó plexit rá kell rögzíteni szilikon ragasztóval a h¶t®bordához, mely így egy mozgatható egységet alkot. A szilikon ragasztó kötési ideje körülbelül 6 óra, ezért érdemes egész éjszakára érintetlenül hagyni, hogy a kötés teljesen tartós legyen. Eközben a rézlapot(3.) is méretre lehet vágni (10 cm x 10 cm) és a fekete festék-spray-vel le lehet fújni. Annyi réteget vigyünk fel, ami már elegend® ahhoz, hogy egységesen sima, tiszta felületünk legyen. A szilikon kötése és a festék száradása után el®ször a szigetel® anyagot kell a plexi tetejére rögzíteni pillanatragasztó segítségével. Ez a szigetel® egy 15 cm x 15 cm-es lap, aminek a közepén Peltier-elem méret¶ lyuk van. Ennek rögzítése után a 32

rézlemezt h®vezet® ragasztóval a Peltier-elemhez kell rögzíteni. A tartó plexi aljára is kerül egy szigetel® réteg, ami szintén 15 cm x 15 cm-es, ennek a közepére akkora lyukat kell vágni, hogy a h¶t®bordát körbevegye a szigetel®. Ennek rögzítése is pillanatragasztóval történik. Ezzel elkészült a h¶t® egység. 2. Kamra összeállítása A kamrához a plexit kell megfelel® méretre vágni, majd a pillanatragasztóval összeragasztani. A bels® plexi (1.) méretei: 4 db 10 cm x 15 cm -es téglapap és 1 db 10 cm x 10 cm-es négyzet. El®ször két nagyobb lapot kell a hosszú oldal mentén összeragasztani, majd ezek egyik végére a négyzet alakot (ami a kamra teteje lesz) és végül az utolsó két oldalt is értelemszer¶en. Ügyelni kell arra, hogy a kezünk ne érintkezzen a ragasztóval, mert annak gyors kötése miatt könnyen hozzáragadhatunk bármihez. A ragasztó kötési ideje fél perc, így 1 perc várakozás után stabilan összeragadnak az elemek. A bels® kamra elkészülte után a fenti folyamatot kell megismételni a küls® kamra (1.) összeragasztásához, melynek méretei: 4 db 15 cm x 20 cm és 1 db 15 cm x 15 cm. Mindkét kamra alján a Peltier-elem és a h®mér® vezetékeinek kivezetésére kis lyukat kell vágni. A bels® kamra tetejére körülbelül 1 cm vastag és a kamrába illeszked® hosszúságú lcet (2.) kell körberagasztani szilikon ragasztóval. 3. Kapcsolás A Peltier-elem vezetékeit meghosszabbítjuk úgy, hogy vezetéket forrasztunk rá. Ezen vezeték egy részébe kell a kapcsolót beépíteni, hogy az áramkört meg tudjuk szakítani. Érdemes sarut forrasztani a vezeték végére, hogy könny¶ legyen az akkumulátorhoz csatlakoztatni az elemet. Ezzel el is készült az áramkör. A h®mérséklet mérése K-szondával történik, amit külön egység, a multiméter m¶ködteti. A K-szonda végét h®vezet® ragasztóval kell a rézlemez egyik sarkához rögzíteni.

33

5.2. Mérési utasítás a ködkamrához A demonstráció megkezdése el®tt 1 nappal a fagyasztóba kell tenni vizet. Körülbelül 1 kg jégre lesz szükség, ami hozzávet®leg 6-7 tálcányi, így ha van rá lehet®ség, akkor egyszerre több tálcát használjunk. A jeget felönt® víz is hideg, ehhez 1.5 l h¶t®ben tárolt víz elegend®. A demonstráció megkezdése el®tt a plexiket érdemes megtisztítani, hogy minden szennyez®anyagot eltávolítsunk, így tisztább lesz az alkohollal teli terület és jobban be lehet látni az érzékeny területre is. Több el®készületre nincs szükség. A demonstráció megkezdéséhez a kamrában lév® lcet fel kell tölteni 4-6 ml alkohollal, majd rárakni a rézlapra. A második kamrát is rá lehet tenni, és a kapcsolóval a h¶tést megkezdeni. Körülbelül 10-15 percet kell várni arra, hogy a kamra alján a túltelített alkohol összegy¶ljön. Ezt követ®en az elemlámpával az érzékeny területre világítva meggyelhet®ek a ködcseppek. Ahhoz, hogy a részecskék pályája is jól látható legyen a PVC-t megdörzsölés után a kamrához közel kell vinni, ez kitisztítja az érzékeny zónát és a kondenzáció így már csak a részecskék hatására fog létrejönni.

34

6. Összegzés

Dolgozatomban bemutattam, hogyan lehet olcsó alapanyagokból, összesen kevesebb, mint 32 000 Ft összköltség mellett, egyszer¶ módon összeállítani egy Peltierelemmel és h¶t®szekrényben készített jéggel hatékonyan m¶köd® ködkamrát, mellyel a zika számos területén lehet érdekes kísérleteket bemutatni. A demonstrációs ködkamra elvi m¶ködésének tanulmányozása után ismertettem, hogy a zika mely területén milyen mérési-, számolási- és elméleti feladatokat lehet a hallgatóknak adni, amikkel az adott témakört a ködkamra segítségével elmélyíthetik. Bemutattam az elektromágnességben, a h®tanban, a környezetzikában és a modern zikában rejl® lehet®ségeket. A ködkamra összeállításához vezet® úton el®ször egy 6.6 V-os telepr®l m¶ködtettem egy Peltier-elemet, majd a nagyobb h®mérsékletkülönbség elérésének érdekében 12 V-os akkumulátort használtam erre a célra. Ez még mindig kevésnek bizonyult a -26◦ C -os kamrabeli h®mérséklet eléréséhez, így vettem egy er®sebb, TEC1-12708 típusú Peltier-elemet, a kamra falát és az alsó szigetelést is megkétszereztem, így sikerült elérnem a kívánt h®fokot. Ezzel az összeállítással az eszköz hosszan tartóan és eredményesen m¶ködhet. A dolgozat végén gyakorlati útmutatást adtam a kamra összeállításához és m¶ködtetéséhez, amivel célom, hogy els®sorban a zikatanárok számára elérhet®vé és elkészíthet®vé váljon ez a demonstrációs eszköz.

35

Hivatkozások

[1] A Fermi-Dirak eloszlásról készült kép forrása:. http://fizipedia.bme.hu/ index.php/F%C3%A1jl:Fermi_dirac_eof.jpg. [2] A gap-et ábrázoló kép forrása:. Visser-Rolinski_files/Fig24.png.

http://www.photobiology.info/

[3] A kerámia fajh®jének adatforrása:. http://www.bigfoot.hu/hovezetes.htm. [4] A konktaktpotenciált ábrázoló kép forrása:. meteorite/meteorite/book-glossaryc.html.

http://www4.nau.edu/

[5] A Peltier-elemet ábrázoló kép forrása:. http://www.hestore.hu/hasznos_ peltier.php. [6] A Seebeck-eektus kapcsolási rajzának forrása:. http://commons.wikimedia. org/wiki/File:Seebeck_effect_circuit_2.svg. [7] Alexander Langsdorf. A continuously sensitive diusion cloud chamber. R. S. I., 1938. [8] Barna Barnabás. A kozmikus sugárzás. Master's thesis, Szegedi Tudoményegyetem, Természettudományi és Informatikai Kar, Kísérleti Fizikai Tanszék, 2012. [9] Dr. Halász Tibor, Dr. Jurisits József, Dr. Sz¶cs József. Fizika 11. - Rezgések és hullámok. Modern zika. MOZAIK KIADÓ, 2014. [10] H®átadásra vonatkozó referencia:.

http://energetika.13s.hu/pub/

_atomenergetika_szakirany_/Reaktorok%20termohidraulikaja/Aszodi_ TH_06_Konvekcio_20081018.pdf.

[11] Magyar kormány. Nemzeti alaptanterv, 2012. http://www.magyarkozlony. hu/dokumentumok/f8260c6149a4ab7ff14dea4fd427f10a7dc972f8/ megtekintes.

[12] MVM Paksi Atomer®m¶ Zrt. hivatalos honlapjáról elérhet® üzemeltetési mutatók: http://www.atomeromu.hu/hu/Documents/Uzemeltetesi_ mutatok_2013.pdf. 36

[13] Seebeck-eektus deníciója:. php. [14] Sugárvédelmi

el®írások:.

http://www.hestore.hu/hasznos_peltier.

http://atomfizika.elte.hu/magfiz/mrf/

vgmrf11_maikerdesekdoz.pdf.

[15] Gausz Tamás, Sánta Imre. H®- és áramlástan II. Typotex Kiadó, 2012. [16] TEC1-12706 típusú Pelteir elem adatai:. http://pdf1.alldatasheet.com/ datasheet-pdf/view/313841/HB/TEC1-12706.html. [17] TEC1-12708 típusú Pelteir elem adatai:. http://pdf1.alldatasheet.com/ datasheet-pdf/view/227421/ETC2/TEC1-12708.html. [18] Dr. Fülöp Ferenc, Dr. Radnai Gyula, Kugler Sándorné, Urbán János. Négyjegy¶ függvénytáblázatok, összefüggések és adatok. Nemzeti Tankönyvkiadó Zrt., 2007. [19] Seppo Louhenkilpi, Ver® Balázs. Anyagtudományi folyamatszimuláció - Diúziós folyamatok modellezése. Aalto University, Helsinki, Finland, 2011.

37

ez a lap nem kell.