MAGFIZIKAI KÍSÉRLETEK 14 ÉVES TANULÓKNAK II.

Sebestyén Zoltán
Testvérváros-téri ált. isk., Pécs

A toron bomlástermékeinek kimutatása zárt elektroszkóppal

A kísérlet előtt körülbelül 4 óráig tegyük a negatív töltésű (golyóstollkupakkal ellátott) elektroszkópon levő, felül nyitott konzervdobozra a gázharisnyát, erre a kartonlapot. Óránként ismét töltsük fel a sugárzás hatására csökkenő potenciálú elektroszkópot. (Ezt óraközi szünetekben megtehetjük.)

4 óra elteltével ismét töltsük fel az elektroszkópot a 35. skálaértékig. Helyezzük rá a tóriumharisnya nélküli kartonlappal lefedett konzervdobozt. A korábban tárgyaltak szerint a besugárzás után a konzervdoboz zárt terében (zömmel a kupakon) csak a kiáradó toron nemesgáz bomlástermékei maradtak. (A torongáz gyakorlatilag nem, mert le kellett emelni a dobozt az elektroszkópról, hogy feltölthessük, így ami még benn maradt, az is elillant.)

A leányelemek bomlásánál keletkezett sugárzás ionizáló hatására csökkent a zárt elektroszkóp töltése. Ezt mutatta a torongörbe a korábbi számban (34. oldalon) megjelent ábrázoláson.

Ködkamrás kísérletek

Gyári ködkamrával végezhető kísérletek

A Wilson-féle ködkamra iskolai használatra készült egyszerű, szovjet gyártmányú változatát a 8. ábra mutatja. A kamrába gyárilag be van építve egy -sugárforrás. Ebbe 1-2 cm³ szeszt vagy metilalkohol 50  %-os vizes oldatát, vagy egyszerűen desztillált vizet csepegtetünk a szívócsonkon át. Ezután körbeforgatjuk néhányszor, hogy a folyadék jól szétterüljön az oldalfalán (nem az ablakokon, hanem a paláston).

A kivezető csőre egy 50 cm³-es benyomott dugattyújú orvosi fecskendőt kell csatlakoztatnunk. Ez aránylag nagy fecskendő, de fontos a mérete. Néhány percet várunk, míg a belső tér telített lesz gőzzel, majd körülbelül 300 voltos tisztító egyenfeszültséget kapcsolunk rá.

A ködkamra térfogata közel 100 cm³. A gumicsőbe körülbelül 10 cm³ levegő fér, így az eredeti térfogat 110 cm³. Kihúzott dugattyúnál 150-160 cm³ lesz az együttes térfogat, ez éppen megfelelő térfogatarányt ad, (V₂ / V₁ ~ 1,4) mert ekkor a dugattyú gyors kihúzásakor -10 °C és -15 °C közti hőmérséklet alakul ki egy-egy pillanatra a kamrában. Ezen a hőmérsékleten már olyan lesz a túltelített gőz a belső térben, mely az -sugárzás által létrehozott ionsorra csapódik ki, láthatóvá téve a részecske pályáját.

A látvány csak 1-1 másodpercre élvezhető, ezért ismételni kell az expanziót. A ködfonalak jobb láthatósága érdekében a kamra alá fekete lapot teszünk, és oldalról megvilágítjuk például kompakt lámpával. Azért praktikus e lámpa, mert fényereje eleve nagy, és nem melegít számottevően akkor sem, ha néhány cm-re van a kamrától.

A ködfonalakat csak sötét háttér és oldalsó világítás esetén láthatjuk, ezért írásvetítővel nem vetíthető ki, de videokamerával jól felvehetők.

A 200-300 V tisztító egyenfeszültségre azért van szükség, mert a kamrában állandóan keletkező ionokat az elektromos erőtér eltávolítja. Az ionok a porra is rá tudnak csapódni, s így a töltött porrészecskéktől is megtisztítja a belső légteret a villamos erőtér azáltal, hogy ezeket a megfelelő elektródához vonzza. Így por- és ionmentes túltelített gőztér áll rendelkezésünkre az expanziókor.

A preparátumból éppen kirepülő és maga után friss ionsort hagyó részecske pályája mentén az expanzió pillanatában létrejön a kondenzcsík. Ez hasonló ahhoz, mikor nagy magasságban a repülőgépek kondenzcsíkot hagynak maguk után. (Ott persze a hideg, túlhűtött tiszta levegőben lévő vízpára az égéstermék apró füstszemeséire csapódik ki.)

Ha nincs ilyen feszültségű áramforrásunk, akkor néhány olcsó alkatrészből könnyen összeállíthatunk egyet magunk is.

Egyszerű, házilag elkészíthető 300 voltos egyenfeszültségű áramforrás

Az alkatrészek jegyzéke: 3 db 1 Mohm fél wattos ellenállás;1 db 50 Kohm fél wattos ellenállás;1 db 1N4007-es, vagy BA159-es dióda;1 db 0,1 µF-os és legalább 300 V átütési feszültségű blokkkondenzátor; 1 db villásdugó; 2 m kéteres vezeték; 1 db műanyag szappanos doboz; 6 x 4 cm²-es kartonlap, vagy nyáklap.

Az összeállítás teljesen biztonságos a millióohmos védőellenállásoknak köszönhetően (9. ábra). Ugyanis a 300 V körüli egyenfeszültség hatására a 2 Mohm-on keresztül még az AB pontok rövidre zárása esetén is csak igen kicsi, I ~ 0,1 mA erősségű áram folyik. Így akkor is veszélytelen az előállított feszültség, ha a AB pontokat kezünkkel egyszerre megfogjuk!

Fontos, hogy a kamra légmentesen legyen lezárva, mert ellenkező esetben az expanziónál külső por is kerülne a kamrába, és így arra csapódna ki a gőz.

Házi készítésű expanziós ködkamra

Az általános iskolákban nem szokott lenni gyári ködkamra, mert az atomfizika nem volt tananyag, de magunk is készíthetünk az iskolában zömmel már meglévő eszközökből, és anyagokból. Jeges professzor ezt írta erről: "Az egyszerű expanziós ködkamra elkészítése sem igényel különösebb kézügyességet. Működtetése azonban olyan élményt jelent, ami nagyon megéri a ráfordított időt és fáradságot. Lehetővé válik általa egyetlen atommag helyének, mozgásának megfigyelése. Magát az atommagot (a He atomjának magját) - mely az atomnál is körülbelül 105-ször kisebb átmérőjű, rendkívül nagy sűrűségű anyagi részecske - természetesen nem láthatjuk (és mai tudásunk szerint soha nem is lesz látható), de pályáját, melyen az előző néhány század vagy tized másodpercben elképzelhetetlenül nagy sebességgel (15-20 000 km/s) végigszáguldott már kényelmesen megfigyelhetjük.

A ködkamrát a tanulói hőtani készlet 25 cm³ térfogatú Erlenmayer-lombikjából készíthetjük el a legkönnyebben. További eszközök és anyagok: lombikba illő gumidugó (a dugó kisebb átmérője 20 mm); 2 x 10 cm hosszú 1-1,5 cm átmérőjű fémdrót; szemcseppentő üvegrésze; fél méter hosszú 10 mm²-es keresztmetszetű villanyvezetékről lehúzott műanyagcső; 2 x 2 cm² felületű itatóspapír; gázharisnya 2 x 3 cm²-es darabja; 2 db műanyag orvosi fecskendő (10 és 20 ml-es); kevéske denaturált szesz és desztillált víz.

A ködkamra elkészítésének menete: A gumidugót középen fúrjuk ki glicerinbe mártott 4 mm átmérőjű dugófúróval. Ha ez nincs, akkor- izzó 4 mm-es csavarral vagy szeggel is kifúrhatjuk. Fontos, hogy a furatba szorosan illeszkedjen a szemcseppentő 6 mm átmérőjű csöve. Még egy vékony forró szeggel a dugóba átellenesen két kis furatot kell készíteni, melybe az 1-1,5 mm átmérőjű huzalt kell majd beledugni úgy, hogy a dugó alján körülbelül 6 cm-t érjen túl. Fontos, hogy a dugó a furataival együtt légmentesen zárjon!

Ha nincs üveg szemcseppentőnk, akkor egy 6 mm átmérőjű üvegesőből vágjunk le egy 12 cm hosszú darabot. (Az üvegcsövet elvágni úgy kell, hogy tűreszelővel bekarcoljuk, majd kettétörjük.) Az üvegcső közepét gázlángban lágyulásig melegítve körülbelül 2 cm-t széthúzzuk. Az elvékonyított résznél az előbb leírtak szerint ketté vágjuk. Az így elkészült szemcseppentő végeit gázlángban lágyulásig melegítve az éles részeket letompítjuk legömbölyítjük.

A dugóban levő drótok külső végeit kúpos fogóval körbehajtjuk (körülbelül 4-5 mm átmérővel) hogy a banándugó beleférjen. Ezután a drót alsó végeit kissé széthajtjuk úgy, hogy a lombik oldalfalával párhuzamosan álljanak. A dugóba nyomjuk bele a szemcseppentőt a vastagabb részével lefelé. Ha ez nehezen menne, akkor az üvegcsövet egy kis szappanos vagy mosószeres vízzel tehetjük síkossá. Így könnyen benyomhatjuk a dugó szűk furatába. A cső a dugó alsó részén épp hogy túlérjen (10. ábra).

A lombikba a 2 x 2 cm² méretű itatóspapírt tegyük be úgy, hogy ferdén tartva a lombik oldalára kerüljön. Néhány csepp desztillált vizet csepegtessünk a lombikban lévő itatóspapírra. Nyomjuk kissé az itatóst a lombik falához, mely ettől odatapad. (A desztillált víz azért kell, hogy az elpárolgó víz ne hagyjon foltot az edény falán.)

Néhány (5-10) csepp metilalkoholt is tehetünk a lombikba. Tapasztalatom szerint így a legerőteljesebbek a ködfoltok. A folyadékokból többet is önthetünk, de felesleges, mert nem lesz szebb a látvány tőle.)

Ezután tegyük be a körülbelül 2 x 3 cm² méretű gázharisnya-darabot a lombik aljára.

Szükségünk van egy fél méter hosszú 3-4 mm közötti belső átmérőjű műanyag- vagy gumicsőre. Ez lehet egy műanyag szigetelésű 10-es villanyvezetékről lehúzott műanyagcső is. Természetesen kiválóan alkalmas erre a célra az infúzió átlátszó műanyagcsöve is. A cső egyik végét a ködkamra dugójából kiálló szemcseppentő szűkített végére óvatosan rányomjuk. A másik végét a 20 cm³-es benyomott dugattyújú fecskendő csőcsonkjára húzzuk.

A gumidugóból ki- és szétálló drótvégeket kissé összenyomva behelyezzük a lombikba, majd a dugó beszorításával hermetikusan lezárjuk az üveget.

A fecskendő a lelke az egész ködkamrának. Kipróbáltam többféle lehetőséget (átalakított, megfordított bőrözésű kerékpárpumpát, különböző méretű és szerkezetű Orvosi fecskendőket, légszivattyút, hűtőgépkompresszort, matracpumpát stb.). A legpraktikusabb, legegyszerűbb és egyben legolcsóbb megoldás az eldobható egyszer használatos orvosi fecskendő. Ennek több fajtája létezik. Az a jó fecskendő, amelyiknek a dugattyújába bele van pattintva a dugattyú nyomókarja (ekkor a kart könnyen körbe lehet forgatni a fecskendőtől függetlenül). Az ilyen dugattyút tapasztalatom szerint könnyű mozgatni, ugyanakkor hermetikusan zár kihúzáskor és benyomáskor egyaránt. A fecskendő végét befogva próbáljuk ki mindkét irányba. A kísérleteinkhez kiválóan alkalmas például a Mátraplast által gyártott QUADPROJECT elnevezésű egyszer használatos biztonsági fecskendő. Érdemes 10- és 20 ml-est beszerezni, mert mindkettővel elvégezhető a kísérlet.

Ha a korábban leírt egyenáramú áramforrást már megépítettük, akkor kapcsoljuk rá a ködkamrára a 300 V tisztító-egyenfeszültséget. A kísérlet a ködkamra teljes összeszerelése után néhány perccel már el is kezdhető.

Ezután állványba fogva a ködkamrát, kompakt lámpával, vagy íróasztal-lámpával a 11. ábra szerinti módon megvilágítjuk. A kontraszt miatt fekete háttérre feltétlenül szükség van.

Érdemes megfigyelni, hogy tisztító feszültség nélkül csak köd keletkezik, és igen ritkán ködfonal - ugyanis a mindenfelé jelenlévő ionokra és lebegő szennyeződésekre rögtön ki tud csapódni a bent levő pára. Ha a dugattyút gyors mozdulattal meghúzzuk, és közben végig figyeljük a ködkamrát, akkor pár pillanat múlva a keletkezett köd apró vízcseppjeinek lassú zuhanását is láthatjuk rövid ideig. Ezután nyomjuk vissza a dugattyút a benyomott alaphelyzetbe.

Megismételhetjük az expanziót lassabb kihúzással is. Ekkor kevesebb köd képződik, még lassabb kihúzásnál már nem képződik köd. Nem árt e mozdulatokat - a dugattyú mozgatását begyakorolni. Úgy érdemes húzogatni a dugattyút, hogy a ködképződés határát eltaláljuk, mert ilyenkor csak a részecske ionizált nyomvonala mentén jön létre a ködképződés. Így jobban láthatók a ködfonalak.

Azt is jól megfigyelhetjük, hogy mikor a dugattyút visszanyomjuk - a ritkítást megszüntetjük (a levegőt sűrítjük) -, a ködszemcsék elpárolognak (a belső tér ekkor kicsit felmelegszik és kitisztul). A későbbi expanziók között 2-3 másodpercet várnunk kell miután visszanyomtuk a dugattyút.

Néhány expanzió után - de lehet, hogy az elsőre is már izgalmas, csodálatos látványban lesz részünk. Finom kis cérna vékonyságú ködfonalak tűnnek fel a belső térben és múlnak el, foszlanak szét változó alakkal, lassú süllyedés közben. Néha több is látható egyszerre, de van sokszor, hogy több expanziónál egyet sem látunk. Ez így természetes, ugyanis a radioaktív bomlás statisztikus jellegű, másrészt a gázharisnya a tér minden irányába lő ki részeket, de ezeket csak egy kis térszögben, tér részben tudjuk kimutatni, láthatóvá tenni.

Ha régebben (pár napja) tettük be a gázharisnyát, akkor észrevehetően nem csak a harisnya irányából indulnak ki a ködfonalak, hanem olykor akár vele párhuzamosan, vagy lefelé, jelezve az emanáció jelenlétét. A toron nemesgáz rövid élete alatt szétdiffundált, majd leányelemei a lombik belső falára tapadtak. Az észlelt más irányú ködfonalakat az ezekből kiinduló sugárzás idézte elő.

Természetesen nem lehet előre megjósolni, kiszámítani, hogy hol és melyik pillanatban mennyi sugár jön létre a radioaktív tórium-sor bomlásakor - ez is bizonyítja, hogy statisztikus jelenség a radioaktív bomlás.

Alaposan megfigyelve a jelenséget, látható hogy az expanzió pillanatában még egyenes ködfonalak később elgörbülnek. A fonalakat alkotó apró vízcseppekre az elektromos tér nem hat észrevehetően úgy, mint az ionokra. A légáram és a gravitáció annál inkább, ezért görbülnek el és süllyednek.

Megfigyelhető, hogy a fonalak hossza különböző, és sokszor az egész rövid 1-2 cm-es fonál erőteljesebb, vastagabb. Van, hogy a fonál nyílegyenesen az üvegnél végződik, de a ködfonalak legtöbbször a belső térben végződnek. A látható hosszuk néhány mm-től 6 cm-ig (a lombik maximális belső méretéig) terjed. (Talán a zömük 3-5 cm közé esik.)

Az erős rövid fonalak nem a harisnya felszínéről, hanem mélyebbről (körülbelül századmilliméter mélységből) származnak, s így az -részek a levegőbe már sok-sok atommal való ütközés után lelassulva, kisebb kinetikus energiával lépnek ki. Ezek centiméterenként több ionpárt hoznak létre - ezekre több vízgőz tud kicsapódni -, vastagabb a ködfonal.

Megfigyelhető ez egyébként minden elhaló ködfonálnál is, a végei mindig kicsit vastagabbak. A sebesség csökkenésével az ionizáló képesség nő!

Amelyik fonál az üvegnél végződik, az levegőben nyilván tovább tudott volna repülni, és ionizálva ködfonalat létrehozni, de az üvegben elnyelődött.

Megfigyelhetők elmosódott szalagszerű halványabb kondenzcsíkok is gyakran. Ennek oka lehet az expanzió előtti pillanatban (körülbelül néhány tized másodperccel korábban) elrepült részecske által létrehozott ionok diffúziója, és hogy az elektromos mező hatására a térben néhány mm-re eltávolodtak az eredeti helyükről. Az ekkor létrehozott expanziónál már ezekre csapódott le a gőz - szélesebb, halványabb ködszalag alakult ki.

Érdekes a 10 ml-es fecskendővel is elvégezni a kísérletet. A fecskendő cseréjét mindig benyomott dugattyúnál végezzük, majd néhány expanzióval átöblögetjük a rendszert. Nagyon gyors, hirtelen rántásra nem, vagy csak alig látható, igen gyenge a ködképződés. Ez természetes is, hiszen itt körülbelül négy a térfogatarány, melynek megfelelően csak körülbelül 10 C-kal hűlt le expanziókor a belső tér, és így kevésbé túltelített a levegő.

Ha a ködkamrát a 10 ml-es fecskendővel működtetjük, és igen gyorsan húzzuk ki a dugattyút, akkor látható köd nem képződik ugyan az egész belső térben, de azért a nagyobb fecskendőnél lévő ködfonalakhoz képest vékonyabb, fényszegényebb ködfonalak létrejönnek a sugarak nyomán.

Ha a ködkamrába víz helyett alkohol és víz 50%-os keverékét tesszük, alapvető eltérést nem lehetett észrevenni a kamra működésében. Talán ekkor egy kicsit jobban láthatók a ködfonalak.

Ha csak alkohol volt a ködkamrában, akkor a 20 ml-es fecskendő dugattyúját nem kellett olyan gyorsan kihúzni, mint a többi esetben.

Szárazjeges diffúziós ködkamra

A Sopronban megrendezett Alkotó Fizikatanítás Nemzetközi Konferencián sok ötletes és újszerű kísérletet mutattak be a japán fizikatanárok. Ezek között volt egy igen egyszerű diffúziós ködkamra, melyben sokkal jobban és tovább láthatók az ionizáló részecskék hatása révén létrejött ködfonalak, mint az expanziós ködkamrában. Az eszközt Mori Yuji tokiói fizikatanár készítette és Tóth Eszter (Budapest, Lauder Iskola) kapta meg ajándékba, így nála lehet megtekinteni (12. ábra).

Ha valaki tud szárazjeget (szilárd széndioxidot) szerezni, akkor körülbelül 1 kg-mal könnyen elvégezheti a kísérletet a rajz szerinti összeállításban. Fontos, hogy középen hűtsük az edényt, a légáramlás (cirkuláció) miatt. A páradús, telített levegő középütt lefelé áramlik, s egyre jobban lehűtve túltelítetté válik, így e közegben folyamatosan létrejön a kondenzáció az ­sugarak nyomán.

A tisztító feszültséget egy megdörzsölt (negatív töltésű) műanyagrúddal biztosíthatjuk, melyet időnként a fólia fölé kell közelíteni. Igen szép és látványos a kísérlet!

Mi van az atomok belsejében?

Milyen az atomok belső felépítése?

Rutherford kísérletének golyós modellezése

A kísérlet összeállítása: A mechanikai tanulói kísérlet golyógurítójára ragasszunk egy körülbelül 5 x 10 cm²-es műanyag, vagy fémlapot, hogy segítségével a golyókat mindig egymással párhuzamosan guríthassuk.

Egy 2-3 cm átmérőjű gumidugót középen forró szeggel lyukasszunk ki, és egy átmenő csavarral fúrógépbe fogva, durva csiszolópapírral a rajz szerinti alakra csiszolunk. Ezután körülbelül 20 cm átmérőjű kartonlappal fedjük le a gumidugót, majd egy hosszabb átmenő csavar segítségével egy sima felületű (például laminált) körülbelül 30 x 30 cm² forgácslemez lapra rögzítjük.

A korong az atomnak, a golyó az a-résznek felel meg. Akkora golyót válasszunk, mely a friss indigó felett levő vékony fehér papírlapon végiggurulva nyomot hagy, de a korong alatt el tud gurulni! A méretarányok erősen torzítottak, hiszen ha az atommagot cseresznye méretűnek vesszük, akkor az atom stadion méretű kéne legyen.

A tanulók egy körülbelül 45°-os szögben a gurítópálya fölé helyezett tükörben felülről láthatják a modellkísérletet. A golyót és a "gombát" (atomot jelképező korongot) egy elöl lévő takarás miatt nem láthatják oldalról a tanulók - csak felülről a tükrön keresztül (13. ábra).

Így a golyó pályáiból kell megállapítaniuk a gyerekeknek, hogy a korong tömör, vagy csak középen az!

A korong melletti és a korong szélei alatti átgurulás változatlan irányú. Beljebb különböző irányú a visszapattanás. A modell, a 13-14 éves gyerekekkel is megsejteti a szórási kísérlet lényegét - az atom nem tömör, nem jó a görögdinnye modell, a nukleonok nem elszórva vannak az atomban, hanem a kis térfogatú atommagban vannak tömörülve.

Egy ilyen gurítási sor indigós nyomvonal részletét mutatja a 14. ábra.

Izgalmasabb a kísérlet, ha a tanulók együttes kockadobással adhatják meg véletlenszerűen a golyó indulási helyét. Például 14 tanuló 3-3 dobókockával rendelkezik. Mindenki dob a dobókockáival, ezek értékét összeadják, és a gurítópálya arra a helyre fog kerülni a milliméter skálán (ez minimum 42 mm, és maximum 252 mm). Ugyanígy kapjuk meg az újabb indítás helyét.

Minden egyes gurítás egy-egy résznek felel meg. A guruló golyót a széleken körbe terített sállal fogjuk fel.

A valóság Coulomb-taszítását itt a rugalmas ütközés helyettesítette, mely természetesen más, de ez első közelítésben nem zavaró, a dolog lényegét nem érintette. Még az sem zavarta a megértést, hogy némelyik gurítás nem sikerült párhuzamosra, sőt valósághűbb lett a modellkísérlet, hiszen a részecskék között is lehetnek más mozgásirányúak.

A Rutherford szórási kísérletének sörétgolyós modellje

A Szűcs-munkafüzetben erre vonatkozóan a következő kísérletek és feladatok szerepelnek:

1. " Vegyünk egy lecsavarható, műanyag fedelű dobozt (például a neszkávés dobozt, vagy nesquikes kakaós dobozt). A doboz tetején fúrjunk forró szöggel kis kerek, körülbelül 5 mm átmérőjű lyukat. Helyezzünk a dobozba 20 sörét- vagy borsszemet, melyek a fürt lyukakon át tudnak esni. Hirtelen mozdulattal fordítsuk a feje tetejére tízszer egymás után a dobozt! Számláljuk meg a kiesett szemeket. . ."
2. " Vegyük úgy, mintha 1 szem próbálkozott volna a lyukakon való kijutással 20 x 10 = 200 alkalommal. A kiesett szemek száma pedig jelzi, hogy hányszor járt eredménnyel a kijutás. Ezért osszuk el a kijutott szemek számát az összes (200) próbálkozással, így megkapjuk a kijutási esély arányszámát. . ."
3. A fedél- és lyukátmérő négyzeteinek aránya és a sörét kiesési esélyek aránya közti kapcsolat vizsgálata.

Érdemes a kísérletet különböző területarányú, de azonos sörétszámú modellekkel elvégezni. Ez a kísérletsor is fontos ahhoz, hogy a diákok ráérezzenek az eredeti Rutherford-kísérlet értelmezésére és szépségére.

Persze itt a modellnél pont fordított a dolog. Ahol a sörét kijön - ahol a modellnél lyuk van -, ott a valóságban levő szórási kísérletben épp az atommag van. Maga a hengeres doboz teteje viszont megfelel egy atomnak.

Fontos! A borítgatásokat be kell gyakoroltatni a mérés előtt, nehogy a sörétek (20 db) a doboztető széle felé, egy kupacba essenek, rossz eredményt adva. Arra kell ügyelni, hogy függőleges helyzetből - függőlegesen fordított helyzetbe - úgy forgassuk át a hengert, hogy a forgatás alatt lehetőleg már szinte súlytalanok legyenek a "sörétgolyók" (azaz ne érjenek már az edény felülre került alsó lapjához). Ezt úgy érhetjük el, hogy először a függőleges helyzetű vízszintes alaplapú hengert felfelé gyorsítjuk, majd a fenti leállás közben fordítjuk meg és indítjuk lefelé a hengert. (Ekkor a szabadon eső sörétek körül fordul a henger. A véletlen szórás realitásának így van legnagyobb esélye, valamint annak is, hogy a golyók ne egy kupacba legyenek. )

A Nestlé-Nesquik kakaós dobozok közül a 200 g-os , ~70 mm átmérőjű és 400 g-os ~100 mm-es könnyen - akár egy forró csavarral, vagy az iskolai dugófúró készlet fúrójával - kifúrható tetővel készül. Ha a 70 mm-es tetőn 5 mm-es lyukat fúrunk, akkor a lyuk és tető területaránya, azaz a két átmérő arányának négyzete 1/200. Ha a ~100 mm átmérőjű tetőt 10 mm, 7 mm, vagy 5 mm átmérőjű furattal készítjük el, akkor a területarányok - rendre 1/100,1/200,1/400 értékűek.

Mindegyikbe 20-20 sörétgolyót téve, 20 borítás összesen 400 sörétpróbálkozásnak felel meg a lyukon való kijutást tekintve.

A kijutott sörétek számának és az összes próbálkozásnak a hányadosait összehasonlítva a területarányokkal - sok esetben kapunk egyező eredményt, vagy megközelítő értéket.

Lyukátmérő meghatározása sörétszórással

A tapasztalatok kiértékelése után került sor az izgalmas feladatra: egy neszkávés doboz ismeretlen lyukátmérőjének meghatározására sörétszórással (15. ábra).

A gyerekek "biztosra" akartak menni, 200 borítást szavaztak meg. Ez körülbelül negyed óráig tartott.

Fontos megjegyzés: A borítgatás során kiesett sörétet mindig vissza tettük a neszkávés dobozba, hogy, mindig 20 söréttel menjen a kísérlet!

A borítgatást egy nagyobb papírdoboz (30x40 cm) felett végezték. Így a kieső sörét koppanását mindenki jól hallotta, és a sörét nem tudott elgurulni, ezért gyorsan vissza lehetett tenni.

A 200 borítás 4000 próbálkozásnak (-sugárnak) felelt meg. Ez alatt 29 sörét (atommagról visszaverődő -részecske) esett ki a lyukon. A kávés doboztető (atomátmérő) 45 mm volt.

A lyuk átmérője a valóságban 4 mm volt! Ismételt kísérletnél 27 sörét esett ki, így 3,7 mm adódott a lyuk átmérőjére. A lyuk becslési pontatlansága tizedmilliméteres nagyságrendbe esett!

A láncreakció és reaktor gyufás modellezése

A hírhedt piramisjátékokat szinte minden gyerek ismeri. Ehhez hasonló folyamatot nem nehéz megértetni a tanulókkal. Sokan ismerik a legenda szerinti sakkozó történetét is, ki az uralkodótól győzelméért "csak" annyi búzaszemet kért, amennyi a sakktábla első mezőjére tett egy szem induló és minden további mezőn megduplázott búzaszemekkel adódna. A 64. mezőre a világ összes búzatermése sem lenne elég!

A láncreakció is hasonló folyamat. A szabályozatlan és szabályozott láncreakció gyufás modellel szemléltethető. A szabályozott láncreakció síkbeli gyufás modelljét a fénykép mutatja (16. ábra). A 15x25 cm² méretű alumínium lapra 5 sorban 1, 2, 4, 8, és 16 lyukat (2 mm átmérőjű) fúrunk a kép szerint. A furatok éles széleit 5 mm-es fúróval kissé leperemezzük. Így könnyebben lehet a gyufaszálakat befűzni. A gyufaszálakat vastagabb pamut fonállal kötjük össze először szabályozatlan, majd a szabályozott modellnek megfelelően. Szűcs József írja erről:

"A láncreakció beindítása úgy történik, hogy a gyufafejek közötti fonálszakaszokon borszesszel (Vigyázat nem robbanó anyaggal, például benzinnel!!!) ecset segítségével átitatjuk, majd az első gyufafejet meggyújtjuk. Ekkor a gyufafejek begyulladása szabályozatlan vagy szabályozott formában láncreakciót modellezve történik. Megjegyzés: Vigyázzunk a kísérlet TŰZVESZÉLYES!! Célszerű a fémlapot egy nem éghető tálca felett Bunsen-állványon rögzíteni függőleges síkban úgy, hogy az első gyufafej felül legyen. "

Ügyeljünk arra, hogy a nem éghető (tálca) lap ne legyen nedvszívó sem (például palalap vagy fémlap) és az esetleg elcsöppent szeszt töröljük fel, valamint az ecsettel történő denaturált szeszes átitatáskor ne kerüljön a fonalak mellé alkohol. Az alkoholos üveget zárjuk le, az ecsetet is tegyük távolabb. Csak ekkor gyújtsuk meg a bevezető szálat, mely majd beindítja az első "maghasadást" jelképező 1. gyufafej belobbanását. A lapot kissé ferde helyzetben tartva (tehát ne teljesen függőlegesen) a tanulók végig jól láthatják (és élvezhetik) a látványos tűzijátékot, melynek végén, ha elég ügyesek vagyunk, mind a 16 gyufa belobban. A kísérlet után szellőztessünk!

LED-es láncreakció modell

A kísérleti modell elektronikus változatát Szűcs tanár úr készítette el. Itt gombnyomással indítjuk a LED sort a szabályozatlan, és szabályozott láncreakciónál (17. ábra).

A szabályozott modellnél a világító diódák közül mindig csak kettő, a szabályozatlannál pedig kettő hatványai szerint növekvő számú világít (18. ábra).

A modell megtekinthető Szűcs Józsefnél (Pécs, JPTE Fizika Tanszékén).

Ismerjük meg környezetünk sugárzásait!

A Szűcs-munkafüzet dobókockás kísérlete elé a radioaktivitás valószínűségi törvényének szemléltetésére Marx György: "A természet játékai" című könyvében olvasható több érdekes játék közül a legegyszerűbbet javasolom és idézem:

"Dobjunk egyforma pénzérméket egy dobozba, azután a becsukott dobozt erősen rázzuk meg. Ezután eltávolítjuk az összes "fej" helyzetű pénzt. Újra megrázzuk. A fejeket ismét eltávolítjuk. És így tovább, sokszor egymás után. (Ha például a rázások percenként követik egymást a pénzérmék száma T =1 perc felezési idővel csökken. A statisztikus ingadozásoktól eltekintve N = N₀/2^T. Egy tárgyi modell alapján szembeszökő, hogy a pénzérmék nem öregszenek. Úgy viselkednek, mint egy mesebeli város polgárai, ahol nincs születés és nincs betegség, a létszámot csak véletlen közlekedési balesetek apasztják.) "

Ez a játékos kísérlet azért tetszett meg, és ajánlom másoknak is, mert a szakköri foglalkozáson általában kevés gyermek van (12 körül szokott lenni), és ha minden gyerek egy pénzérmével játszik, úgy nem érvényesül a statisztikus jelleg. Az új kisméretű egy- vagy kétforintosból több százat is bedobhatunk a dobozba!

Egy osztálynyi diákkal (25-30 fő) a bomlás véletlenszerűségét legegyszerűbben fejenként 3 pénzérmével játszathatjuk el. Mindenki három pénzérmét (például 3 db 2 Ft-ost) ráz a kezében és adott jelre az asztalra borítja. Akinél mindhárom írás, az feláll (ez jelenti az épp elbomlott atommagot). Mindenkinek ugyanannyi volt az esélye, mégsem következett be egyszerre az esemény, és senki nem tudta előre hogy mikor következik. A megmaradó tanulókkal (még el nem bomlott atomok) ismételjük a kísérletet a pénzzel még néhányszor. Mindenki előbb-utóbb sorra kerül és a végén elfogynak az ülő tanulók, mint ahogy a természetben a radioaktív anyag atomjai is előbb-utóbb mind elbomlanak.

A radioaktív bomlás modellezése kockadobással

Ezután végezhetjük el a kockadobásos modellezést a Szűcs füzet szerint. "A radioaktív magok bomlásának véletlenszerűségét modellezhetjük számkockák dobásával. Vegyünk 20-30 darab számozott játékkockát amelyeket egy dobozba helyezünk, majd a kockákat sík felületre borítjuk. Az elbomlott magokat például a  6-os jelű kockákkal modellezhetjük. "

A kockadobásokat táblázatba foglalva az is megállapítható, hogy mennyi a "dobások felezési ideje", hogy nyolc borítás után a kockák körülbelül hányad része marad meg, és ez körülbelül mekkora felezési időnek felel meg.

A számítógépes szimulációs programokat és az ANRI sugárzásmérő műszerrel való méréseket nem tárgyalom, mert ezek már komolyabb beruházást igényelnek és most ezen írásommal az volt a célom, hogy elsősorban olcsó, sajátkészítésű eszközöket és kísérleteket gyűjtsek össze (a teljesség igénye nélkül) a nukleáris alapismeretek tanításához.

_______________________

A cikk első része megjelent a Fizikai Szemle 1998/1 számában.

______________________

A kísérleti eszközöket Öveges József és zömmel Jeges Károly leírásait alapul véve állítottam össze, mert ezek a legegyszerűbbek, legolcsóbbak, meghízhatóan működnek és bárhol házilag is előállíthatók. (a szerző)