Як в домашніх умовах побачити субатомні частинки, що утворюються при радіоактивному розпаді.
В кінці XIX століття вчені відкрили радіоактивне випромінювання урану і встановили, що воно являє собою потік різноманітних швидких частинок. Чи можна простежити за їх рухом і взаємодією з різними мішенями? Адже ці частинки менше атома, а їх швидкість порівнянна зі швидкістю світла: навіть відносно важкі і повільні альфа-частинки вже рухаються зі швидкістю близько 5% від світлової та являють собою лише крихітна ядро одного з найлегших елементів - гелію.
1. В якості корпусу камери ми взяли прозору акрилову коробку від цукерок. Можна використовувати і будь-яку іншу прозору прямокутну або циліндричну ємність (навіть цілий акваріум). Головне, щоб матеріал стінок не лопаються від сильних перепадів температури, так що пластик краще скла.
Камера Вільсона
У 1912 році Чарльз Вільсон, який досліджував до цього далекі від ядерної фізики процеси утворення туманів і дощів, сконструював камеру, за яку в 1927 році отримав Нобелівську премію. У ній різкий рух поршня на частки секунди створювало перенасичений пар будь-якої леткої рідини. Перенасичений пар нестійкий, найменші обурення змушують його сконденсуватися в краплі. Пролітають через обсяг камери альфа- і бета-частинки залишають за собою слід іонів повітря, який негайно викликає конденсацію рідини, створюючи видимий неозброєним оком трек (слід), в точності повторює траєкторію частинки. По довжині і товщині треку можна судити про енергію, швидкості і масі частинки. Товсті треки залишаються за важкими повільними частинками, а легкі і швидкі дають тонкий, ледь помітний слід.
2. До верхній кришці звичайним канцелярським скотчем або суперклеєм кріпиться марлевий джгут з ватою всередині з дезинфікуючим розчином (етиловим або ізопропіловим). Дно заклеюється чорної ізолентою, щоб білі треки частинок були краще видно (можна пофарбувати дно чорної матовою фарбою або приклеїти лист чорного паперу). Як джерело частинок ми взяли зварювальний електрод марки WT-20, що складається з вольфраму з добавкою 2% торію (незважаючи на радіоактивний торій, електроди безпечні, якщо їх не ковтати).
Камера Вільсона, особливо поміщена за пропозицією радянських фізиків Петра Капіци та Дмитра Скобельцина в сильне магнітне поле, виявилася феноменально ефективним інструментом, що дозволив зробити безліч відкриттів - зокрема, виявити позитрони і мюони. Однак вона мала серйозний недолік - перебувала в чутливому до частинкам стані в кращому випадку секунди. Це робило її абсолютно непридатною для дослідження рідкісних випадкових подій.
3. Конструкція охолоджувача теж гранично проста: в пластиковий харчовий контейнер насипаються гранули сухого льоду, зверху кладеться міліметровий лист алюмінію, що дозволяє зробити охолодження максимально рівномірним.
дифузійна камера
У другій половині 1930-х років американський фізик Олександр Лангсдорф-молодший вирішив цю проблему. Замість того щоб створювати перенасичений пар різким зниженням тиску, він створив в камері постійний градієнт температури. В області високої температури випаровувалася летюча рідина, пари дифундувати в область низької температури і там безперервно перебували в перенасиченому стані, завжди готові показати дослідникам траєкторії частинок. Крім безперервності роботи, дифузійна камера Лангсдорфа має ще одна перевага: її гранично просто зробити. Вона складається з ємності з прозорими стінками і нагрівачем вгорі і / або охолоджувачем внизу. Вгорі також розташовується тканину, вата або інше пористе сховище для рідини. Ось, власне, і вся конструкція. Саме таку камеру ми вирішили зібрати в редакції «Популярною механіки».
4. Далі встановлюємо камеру на алюмінієвий лист охолоджувача і підсвічувати її збоку ліхтариком. Через кілька хвилин, коли в коробці встановиться градієнт температур і поблизу дна утворюються перенасичені пари спирту, можна милуватися медитативним видовищем треків альфа-частинок - туманних слідів, які народжуються в обсязі камери і плавно опускаються на дно.
Антисвіт своїми очима
Використовуючи неодимові магніти, можна змусити частинки рухатися по викривленій траєкторії. А якщо замість електрода з торієм помістити в камеру невелика кількість калійних добрив (природний калій містить бета-активний калій-40) і набратися терпіння, то можна буде особисто спостерігати античастинки - позитрони. Калій-40, нехай і дуже рідко, випускає їх замість звичайних електронів. У магнітному полі треки рідкісних позитронів відхиляються в протилежну по відношенню до електронів сторону.
Стаття «Простежити за електроном» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №7, Грудень 2014 ).
Чи можна простежити за їх рухом і взаємодією з різними мішенями?