Spis treści Zjawisko Purkinjego

Neutrino 17
Wakacyjny zeszyt Neutrina oferuje ciekawą lekturę na wieczór, m.in. wędrówkę przez ostatnie dziesięciolecia ze znanym fizykiem jądrowym Profesorem
Kazimierzem Grotowskim. Warto sobie zdać sprawę, jak duże przeobrażenia
nastąpiły, jakim rewolucyjnym zmianom uległa fizyka w czasie życia Profesora.
Czytelników zapraszamy do obserwacji i pomiarów na świeżym powietrzu.
Zamiast posługiwania się komercyjnym sprzętem, zachęcamy do budowy własnej stacji meteorologicznej. Wakacje to też świetny czas do obserwacji nieba
i łąk pełnych kwiatów, aby np. potwierdzić istnienie zjawiska Purkinjego.
Z.G-M
Spis treści
Zjawisko Purkinjego......................................................................1
Kazimierz Grotowski – fizyk jądrowy, grotołaz...................................5
Cyklotron.....................................................................................9
Licznik Geigera-Müllera................................................................ 10
Pomiar promienia Ziemi............................................................... 12
Ministacja meteorologiczna........................................................... 15
Ocena stopnia zachmurzenia......................................................... 20
Chmura w butelce....................................................................... 21
Neutrino 17
1
Zjawisko Purkinjego
Postawienie problemu
Prawie dwieście lat temu lekarz czeski, Jan Ewangelista
Purkinje1, zainteresował się zagadnieniem, jak intensywność odczuwania barw zależy od natężenia światła. Na
podstawie jego pism można przypuszczać, że stało się to
pod wpływem obserwacji kwiatów w ogrodzie, które prowadził w różnych godzinach dnia, poczynając od wczesnego przedświtu (komu z nas chciałoby się wstawać tak
rano?)2.
Zjawisko Purkinjego
Wyniki jego spostrzeżeń były następujące:
1. Jeżeli natężenie światła jest bardzo małe, człowiek w ogóle nie rozróżnia
barw. Można jedynie rozróżniać różne stopnie szarości – od bieli do czerni.
Ten wynik nie był może zupełnie nowy. O tym, że ludzie taki efekt zauważyli, świadczy przysłowie „W nocy wszystkie koty są szare”.
2. Oświetlone przedmioty o różnych barwach, które przy jasnym świetle dziennym wydają się jednakowo jasne, przy słabym świetle zmrokowym mogą
bardzo różnić się jasnością.
Rozpatrzmy na przykład dwie powierzchnie: niebieskozieloną i pomarańczową,
które wywołują podobne wrażenie jasności w świetle dziennym (rys. 1). Przy
bardzo słabym oświetleniu nie rozróżniamy już ich barw – o czym była mowa
wyżej. Powierzchnia niebieskozielona wydaje się jednak znacznie jaśniejsza od
pomarańczowej.
Zachodzi oczywiście i efekt odwrotny: dwie powierzchnie, które przy świetle
zmrokowym wydają się jednakowo jasne, przy słabym świetle dziennym mogą
bardzo różnić się jasnością. Efekt ten nazywamy zjawiskiem Purkinjego.
Rys. 1. Rysunek do obserwacji zjawiska Purkinjego
Nim przejdziemy do wyjaśnienia zjawiska Purkinjego, proponuję wykonanie
dwóch prostych doświadczeń.
1
Purkinje (inna pisownia Purkyňe, 1787–1869), był bardzo wybitnym człowiekiem.
Przez około 25 lat mieszkał we Wrocławiu (wtedy należącym do Niemiec). Możesz o nim
przeczytać w Wikipedii.
2
Wikipedia, angielskie hasło Purkinje effect.
2
Neutrino 17
Doświadczenie 1
Polega ono po prostu na obejrzeniu rysunku 1:
1. przy jasnym świetle dziennym lub świetle silnej żarówki wolframowej,
2. przy możliwie słabym oświetleniu.
Doświadczenie 2
1. Do doświadczenia musisz wyciąć kolorowe kwadraty, które wydrukowane
zostały na ostatniej stronie tego zeszytu Neutrina.
2. Przy bardzo słabym świetle ułóż te kwadraty jeden obok drugiego według
jasności, na przykład od najjaśniejszego do najciemniejszego. Następnie
obejrzyj je przy pełnym świetle.
Obie te obserwacje możesz oczywiście przeprowadzić razem. Najlepiej zrób to
późnym wieczorem. Przy ich wykonywaniu:
1. musisz przede wszystkim przez co najmniej 15 minut przyzwyczaić oczy
do ciemności, na przykład posiedzieć z oczami zawiązanymi ciemnym szalikiem,
2. obserwacje trzeba prowadzić przy możliwie jak najmniejszym natężeniu
światła. Jeżeli mieszkasz w mieście, światło dochodzące w nocy z ulicy może
być jeszcze zbyt jasne. Musisz zaciągnąć ciemne zasłony albo znaleźć sobie
jakiś ciemny kąt w mieszkaniu.
Dwa typy komórek wzrokowych
Oko ludzkie ma dwa typy komórek wzrokowych. Znajdują się one w błonie,
zwanej siatkówką, wyściełającej wewnętrzną część oka (rys. 2).
Rys. 2. Fragment siatkówki oka salamandry
1. Do widzenia przy bardzo małym natężeniu światła służą komórki zwane
pręcikami. Pozwalają one na rejestrację światła i odczuwanie różnych poziomów jasności. Nie dają jednak żadnych wrażeń barwnych.
2. Do patrzenia przy świetle dziennym służą komórki zwane czopkami. Pozwalają one na odczuwanie jasności. Poza tym, człowiek ma trzy typy czopków,
co pozwala na rozróżnianie barw. Tym ostatnim zagadnieniem nie
będziemy się jednak teraz zajmować. Czułość czopków jest w zasadzie mniejsza od czułości pręcików, co omówimy poniżej.
Neutrino 17
3
Czułość detektorów oka
Rysunek 3 przedstawia zależność czułości komórek oka od długości fali światła.
Rys. 3. Zależność czułości fotoreceptorów oka od długości fali światła. Barwy widmowe
w druku nie są oddane precyzyjnie
Krzywa niebieska przedstawia czułość pręcików.
1. Pręciki mają największą czułość dla niebieskozielonego światła o długości
fali λ = 0,507 µm. Ta czułość została przyjęta jako jednostkowa na skali
pionowej wykresu.
Czułość oka ludzkiego nie jest zbyt wielka. Mówiąc w języku korpuskularnym: przy maksymalnej czułości wrażenie światła wywołuje jedynie około
5% padających na oko fotonów.
2. Wykres sporządzony został w skali logarytmicznej. Oznacza to, że jedna
pionowa działka wykresu oznacza zmianę czułości o czynnik 10. Na przykład – aby wywołać wrażenie takie jak dla światła o długości fali 0,507 µm:
– dla długości fali 0,43 µm energia padającego światła musi być 10 razy
większa. W tym przypadku czułość jest równa 0,1 czyli 10–1,
– dla długości fali 0,40 µm energia padającego światła musi być 100 razy
większa. W tym przypadku czułość jest równa 0,01 czyli 10–2 itp.
Krzywa czerwona przedstawia zależność czułości czopków od długości fali światła. Jest to wielkość uśredniona po trzech rodzajach czopków.
1. Maksymalna czułość przypada dla światła żółtego o długości fali λ = 0,555 µm.
Czułość czopków w maksimum jest około 180 razy mniejsza od maksymalnej czułości pręcików.
2. Czułość pręcików jest większa od czułości czopków w przeważającej części
zakresu widzialnego, poza obszarem czerwieni dla λ > 0,64 µm.
Wyjaśnienie doświadczenia 1
To, co powiedzieliśmy wcześniej o czułości detektorów świetlnych oka, pozwala
zrozumieć omówione wyżej obserwacje.
4
Neutrino 17
1. Jeżeli natężenie światła jest małe, odbieramy je tylko za pomocą pręcików.
Możemy rozróżniać natężenie światła, ale nie rozróżniamy barw.
2 Przypuśćmy teraz, że porównywać będziemy wrażenia dla światła niebieskozielonego o długości fali λ = 0,51 µm i pomarańczowego o długości fali
λ = 0,625 µm (linie pionowe na rys. 3).
– Przy silnym świetle, kiedy widzimy za pomocą czopków, czułości w obu
przypadkach są jednakowe i wynoszą około 1/500 maksymalnej czułości
pręcików.
– Przy słabym świetle widzimy za pomocą pręcików. Ich czułość dla światła
o długości fali λ = 0,51 µm jest bliska maksymalnej, a dla światła o długości fali λ = 0,625 µm jest około 250 razy mniejsza od maksymalnej.
Dlatego kwadrat niebieskozielony wydaje się znacznie jaśniejszy od pomarańczowego.
Trzeba sobie uzmysłowić, że nasz opis zjawiska Purkinjego jest jedynie przybliżony. Krzywe czułości z rys. 3 dotyczą jednobarwnych (monochromatycznych)
barw widmowych. Światło odbite od kolorowego papieru na pewno takie nie
jest!
Proponuję, aby czytelnik sam objaśnił wyniki doświadczenia 2.
Jerzy Ginter
Łąka pełna bławatków i maków w pełnym słońcu wygląda bardziej „bławatkowo”, zaś o zachodzie słońca i o szarówce – maki są dominujące. To efekt
Purkinjego dodaje czerwieni makom (oprócz przesunięcia wieczornego widma
światła ku czerwieni).
Neutrino 17
5
Kazimierz Grotowski – fizyk jądrowy, grotołaz
Ważny wkład w znaczenie ośrodka fizyki jądrowej w Krakowie
miał Profesor Kazimierz Grotowski, obecnie na emeryturze.
Był on uczniem Profesora Henryka Niewodniczańskiego, o którym mieliście okazję przeczytać w Neutrinie 16. Znaczenie
uczonego dla nauki bierze się przede wszystkim z jego wkładu
w odkrycia naukowe, ale też z wychowania następców kontynuujących badania. Profesor Grotowski jest jednym z takich
kontynuatorów Profesora Niewodniczańskiego. Sam doczekał
się z kolei swoich uczniów, którzy mają piękne sukcesy w fizyce. Fizyka jądrowa w Krakowie rozwija się, powstają nowe wielkie projekty
naukowe, jak np. nowy cyklotron w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN, Centrum
Synchrotronowe SOLARIS.
Odkrycia naukowe, mimo że bardzo ważne i znaczące, nie są obecnie źródłem tzw. sławy, nie czynią z uczonych celebrytów i właściwie tylko środowisko
naukowe zna swoich wybitnych członków. Postaramy się przybliżyć postać Profesora Grotowskiego, jednego z wybitnych polskich fizyków jądrowych.
Życiorys Profesora Kazimierza Grotowskiego ilustruje nie tylko drogę do kariery naukowej chłopca zauroczonego fizyką, ale pokazuje także czasy i naszą
historię ostatnich kilkudziesięciu lat.
Kazimierz urodził się w 1930 w Rzeszowie, a więc jest w wieku waszych
dziadków. Jego rodzice, mama Emilia i ojciec Marian, zakochali się w sobie już
w czasach gimnazjalnych (obecnie liceum), a po latach rozłąki, w czasie których
pokończyli studia, spotkali się na nowo i pobrali. Mama ukończyła seminarium
nauczycielskie w Rzeszowie, a ojciec studia inżynierskie leśnicze w Wiedniu
i Poznaniu. Dziadek Bolesław był nauczycielem łaciny i greki w słynnym I Gimnazjum Męskim w Rzeszowie. Szczęśliwe dzieciństwo Kazimierza i młodszego
brata Jerzego (słynnego reżysera teatralnego) trwało zaledwie 10 lat do wybuchu II wojny światowej. Matka, urodzony pedagog, poświęciła się wychowaniu
chłopców, wprowadzała ich w tajniki przyrody, i w życie kulturalne. Przed wybuchem wojny państwo Grotowscy z synami mieszkali w Przemyślu.
Gdy wybuchła II wojna światowa rodzinę Grotowskich ewakuowano z Przemyśla pociągiem wojskowym na Wschód. Jak ta ewakuacja wyglądała można
sobie wyobrazić oglądając film Katyń Andrzeja Wajdy. Mamie i chłopcom udało
się uciec z bombardowanego przez Niemców pociągu. Później doszło jeszcze do
spotkania z ojcem, jak się okazało, po raz ostatni w życiu.
Mama Profesora wiedziona intuicją wróciła z chłopcami do Przemyśla
i w porę przedostała się przez most na Sanie do Generalnej Guberni. Gdyby to
się nie udało, zostaliby niechybnie wywiezieni, jak wiele innych rodzin, do Kazachstanu. Jak się później okazało, ojcu udało się przedostać na Zachód, lecz
po wojnie nie wrócił już do kraju z obawy przed represjami.
Pani Grotowska lata okupacji przeżyła 20 km od Rzeszowa we wsi Nienadówka. Mieszkała z chłopcami w jednej izbie, z piecem, oczywiście bez wody
i z wygódką za domem. Dla pani Grotowskiej to był heroiczny czas. Musiała utrzymać (pracowała jako nauczycielka), wychowywać i edukować dwóch
synów. Chłopcy chodzili we wsi do szkoły powszechnej. Okupanci zezwalali
Polakom tylko na naukę czytania i pisania (4 klasy); mama z wielkim trudem zdobyła podręczniki ze zlikwidowanych przedwojennych polskich szkół.
6
Neutrino 17
Chłopcy musieli uczyć się języków obcych
i przerabiać, bez taryfy ulgowej, przedmioty
z polskiej szkoły. Mieli do dyspozycji literaturę piękną, a starszy Kazimierz Nowy świat
fizyki Jeansa, Nowoczesną alchemię Kendalla,
Ścieżkami jogów Brunona oraz Życie pszczół
i Wielką tajemnicę Maeterlincka. To wtedy
Kazimierz zaraził się fizyką, a trzy lata młodszy Jerzy – filozofią Wschodu.
Choć dla matki Profesora czas okupacji był
niezwykle trudny, to jednak dla małych chłopców, chronionych pod jej skrzydłami, pobyt
na wsi miał jasne chwile, jak na przykład
Święta Bożego Narodzenia. Profesor wspomina: „Gdy matki nie było w domu, nie wolno nam było wychodzić z naszej izby.
Byliśmy posłuszni. Matka umiała utrzymywać dyscyplinę. Siedzieliśmy wtedy
blisko siebie, często po ciemku, i wymyślaliśmy przeróżne historie. Były to
pobyty na bezludnej wyspie, ale również opowieści wojenne, w których dokonujemy zwycięskich czynów, kończących wojnę”.
W maju 1944 w Sokołowie przed tajną komisją Kazimierz zdał egzamin
z dwóch klas gimnazjum. Kilka dni później członkowie komisji zostali aresztowani, a niektórzy z nich zginęli. Z obawy przed dostaniem się w ręce okupanta
list zdających, Grotowscy musieli uciekać z Nienadówki.
Po wojnie Kazimierz kontynuował naukę w Rzeszowie w liceum, w klasie
o profilu matematyczno-fizycznym. W szkole tej uczył wspaniały nauczyciel
Kazimierz Krzyżanowski, który pozwalał swemu zdolnemu uczniowi korzystać
z przyrządów w pracowni fizycznej. Między innymi to sprawiło, że Kazimierz
podjął decyzję o studiowaniu fizyki, a mama decyzję popierała, nie namawiając
go do wyboru bardziej praktycznego zawodu.
Po nieudałych próbach wyjazdu z kraju, by połączyć się z mężem na Zachodzie, pani Grotowska osiadła z synami w Krakowie, gdzie Kazimierz podjął
w 1948 studia na wydziale filozoficznym na kierunku fizyka. Kazimierz Grotowski, jako początkujący student, dostał się w Krakowie pod skrzydła wielkiego
naukowca Profesora Henryka Niewodniczańskiego, który pod koniec drugiego
roku studiów zaproponował Kazimierzowi stanowisko zastępcy asystenta.
Były to czasy stalinizmu. Ówczesny reżim tak bardzo obawiał się jakichkolwiek stowarzyszeń studentów, że rozwiązano Kółko Matematyczno-Fizyczne
Uczniów UJ. Zniszczono wtedy bardzo bogatą, gromadzoną przez parędziesiąt
lat bibliotekę, w której znajdowały się m.in. spisywane i wydawane przez studentów skrypty. Oprócz fizyki studenci musieli uczyć się podstaw marksizmu
i leninizmu. Studenci fizyki byli jednak w o wiele lepszej sytuacji niż ich koledzy
i koleżanki z humanistycznych wydziałów, gdyż reżim rozumiał potrzebę posiadania wykształconych fizyków.
Oprócz Profesora Niewodniczańskiego w Krakowie pojawili się profesorowie Weyssenhoff, Blaton, a także Rayski, który zrobił tajny doktorat w czasie
okupacji. Studenci razem z profesorami „nadrabiali” zaległości z fizyki, jakie
powstały w czasie 6 lat wojny i przygotowywali się do pracy naukowej. By zdobyć niezbędną aparaturę, profesorowie jeździli do pookupacyjnych Niemiec.
Były to wyprawy z licznymi przygodami. Profesor Grotowski wspomina, jak to
z profesorem Weyssenhoffem i Jerzym Gierulą jeździli pod Oświęcim, gdzie
w czasie wojny była fabryka samolotów. Z wysokich na dwa piętra hałd złożo-
Neutrino 17
7
nych z wraków i niedokończonych maszyn wybierali niezbędne do laboratorium
duraluminium. W jednym z kadłubów samolotu znaleźli nawet karabin maszynowy, tyle, że bez zamka.
Profesor Niewodniczański rozdawał swoim uczniom zadania i tematy projektów badawczych, a studenci sami budowali przyrządy pomiarowe, np. liczniki promieniowania jonizującego. Profesor Grotowski sam sobie wybrał temat
pracy magisterskiej: Efekty temperaturowe w pracy licznika Geigera-Müllera
i wtedy na dobre „wsiąkł” w fizykę jądrową. Pracował w instytucie, jak wszyscy
wówczas, do późnych godzin wieczornych.
W czasie studiów Kazimierz Grotowski należał do Klubu Grotołazów. W czasach stalinowskich jaskinie były jedynym miejscem,
gdzie bez obawy można było opowiadać dowcipy polityczne, śpiewać legionowe piosenki.
Do klubu należało 18 członków, dwunastu
z nich zostało profesorami, jeden docentem,
jeden pisarzem, trzech zawodowymi podróżnikami, a jeden dziennikarzem. Grotołazi sami
musieli „wykombinować” sprzęt i kombinezony. Dokonali w jaskiniach paru odkryć, między
innymi znaleźli dziewiczą część Jaskini Zimnej
w Tatrach.
W tym czasie Profesor Niewodniczański zadecydował o budowie w Krakowie cyklotronu
C14. Skonstruowano go w głębokich piwnicach budynku Collegium Witkowskiego przy ul. Gołębiej. Wprawdzie był to mały instrument o średnicy 48 cm,
ale jarzmo do jego elektromagnesu ważyło aż 4 tony. Ziemię i gruz wydobywany z wykopu pod fundament cyklotronu wynosili wszyscy, łącznie z Profesorem
Niewodniczańskim. Z wyjątkiem jarzma wszystko było wykonane siłami fizyków i techników z Instytutu Fizyki. Budowa ta nie obyła się bez przygód. Przy
montażu jarzma omal nie zginął Profesor Niewodniczański, zerwały się liny, na
których spuszczano jarzmo do piwnicy.
Profesor Niewodniczański wysłał swojego młodego asystenta do Związku
Radzieckiego, do Leningradu, by zapoznał się z rosyjską elektroniką. Były to
czasy, w których żonie i synowi nie pozwolono na wspólny wyjazd. Z tego
samego powodu żona nie towarzyszyła Profesorowi w następnych wyjazdach
naukowych. Czas spędzony w Leningradzie został wykorzystany na przygotowanie pracy doktorskiej.
Krakowscy fizycy doświadczeni w budowie małego cyklotronu byli gotowi na
przyjęcie sprowadzonego z ZSSR „dużego” cyklotronu U120 o średnicy 120 cm,
który został zainstalowany w IFJ w Bronowicach1.
W 1958 roku udało się uzyskać w cyklotronie U120 wiązkę deuteronów,
dokonano wtedy pomiaru polaryzacji neutronów. Profesor Grotowski wraz z innymi kolegami, zwłaszcza z profesorami Strzałkowskim i Budzanowskim, zajął
się polaryzacją w reakcjach tzw. strippingu, a od strony teoretycznej modelem jąder atomowych, w szczególności modelem optycznym. Studenci, którzy
uczęszczali na wykłady znanych już wtedy jądrowców: Adama Strzałkowskiego, Kazimierza Grotowskiego i Andrzeja Budzanowskiego, nazwali ich „Trójcą”.
„Trójca” stworzyła dobrany zespół, który dokonał wielu odkryć.
1
Więcej na ten temat: Foton 102, Adam Strzałkowski, Pół wieku krakowskiego cyklotronu U120.
8
Neutrino 17
Gdy później nadarzyła się okazja wyjazdu do znanego ośrodka w Birmingham w Anglii Profesor został wezwany do Urzędu Bezpieczeństwa, gdzie miało
miejsce przesłuchanie, tak jak w filmie „Człowiek z marmuru” Andrzeja Wajdy.
Namawiano Profesora do współpracy. Wycofano się z nacisków dopiero, gdy
Profesor powiedział, iż będzie to kolidować z badaniami jądrowymi i że profesor musi się koniecznie porozumieć ze swoim szefem Profesorem Niewodniczańskim.
Po powrocie z Anglii w nowym Instytucie Fizyki Jądrowej w Bronowicach,
w którym działał cyklotron U120, członkowie „Trójcy” kontynuowali badania
struktury jąder poprzez badanie reakcji jądrowych. Profesor badał rozkłady
kątowe i energetyczne w reakcjach (deuter, proton) i (deuter, cząstka α). Badanie reakcji jądrowych to metoda „zaglądania” do jąder atomowych. Jest to
analogiczne do badania widm atomowych, które dają wgląd w budowę atomów. Aby spowodować reakcję jądrową potrzebne są pociski wysokiej energii
(np. protony, jądra deuteru, cząstki alfa). Aby je otrzymać należy dysponować
cyklotronem, w którym te naładowane pociski są rozpędzane. Dzięki pracom
Profesora i jego kolegów znamy znacznie lepiej naturę jąder atomowych. „Trójca” wykryła między innymi tzw. efekt glorii fal de Broglie’a dla fal
materii analogiczny do tego, jaki można zaobserwować w górach, jako tzw.
widmo Brockenu.
Uczniowie Profesora kontynuują badania, szczególnie w zakresie budowy
unikalnej aparatury. Dzięki tym umiejętnościom są zapraszani do rozmaitych
światowych ośrodków naukowych.
Za czasów działalności Profesora dokonała się rewolucja w możliwościach
obliczeniowych. Na początku pracy fizyka Profesor posługiwał się suwakiem
logarytmicznym, potem prostymi kalkulatorami, następnie komputerami polskiej produkcji, np. „Odra 1003”, by obecnie korzystać z superszybkich komputerów najnowszych generacji. Dawniej fizycy z rozmaitych laboratoriów
porozumiewali się drogą pocztową lub telefonem. Wyniknęła z tego powodu
kiedyś zabawna sytuacja. Profesor był w Anglii. Współpracujący z nim koledzy z Krakowa potrzebowali ważnej informacji o przebiegu doświadczenia.
Urzędnik na poczcie w Anglii nie chciał przyjąć telegramu, ponieważ obawiał
się, że to jakaś szpiegowska zaszyfrowana informacja. Po paru godzinach ktoś
z poczty odszukał Profesora w prywatnym mieszkaniu (skąd znali adres?) i telegram mógł być bez
przeszkód nadany (więcej ten temat w artykule
A. Strzałkowskiego w Fotonie 102).
Prof. Grotowski po demonstracji
spuszczania się po linie podczas
„Andrzejków” organizowanych
przez Naukowe Koło Fizyków
Jako fizyk Profesor Grotowski zjeździł cały świat.
Liczne wiodące światowe laboratoria potrzebowały
zdolnych i zapalonych fizyków, wnoszących istotny
wkład w badania. Polscy fizycy byli chętnie zapraszani do współpracy. Z drugiej strony, np. administracja USA w czasach zimnej wojny, obawiała się
szpiegów. Podróż polskich jądrowców: Niewodniczańskiego, Strzałkowskiego i Grotowskiego była
dokładnie monitorowana przez tamtejsze służby.
Obecnie fizycy polscy są pełnoprawnymi członkami społeczności fizyków całego świata, sami wybierają sobie miejsca badań naukowych.
Z.G-M
Neutrino 17
9
Cyklotron
Cyklotron służy do przyspieszania cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym (np. elektronów, protonów). Aby zrozumieć zasadę działania cyklotronu, należy wiedzieć, że zgodnie z prawem elektrodynamiki, pole magnetyczne „zakrzywia” tor naładowanej cząstki poruszającej się w tym polu. Jeżeli
cząstka porusza się w kierunku prostopadłym do linii jednorodnego pola magnetycznego, to tor cząstki jest okręgiem, a szybkość cząstki pozostaje stała.
Do przyspieszania cząstek naładowanych można natomiast wykorzystać pole
elektryczne, np. takie, jakie jest między płytkami kondensatora.
Fizycy wpadli na genialny pomysł. Okrągłą metalową komorę (przypominającą kształtem puszkę po konserwie) rozcięli wzdłuż średnicy i lekko rozsunęli (rys. 1). Te dwie połówki, nazywane duantami, podłączyli do napięcia
elektrycznego i dodatkowo umieścili w polu magnetycznym. W centrum komory znajduje się źródło cząstek naładowanych elektrycznie (lub cząsteczki te
są wprowadzane z zewnątrz). Pole elektryczne istniejące pomiędzy duantami
przyspiesza cząstkę, a więc zwiększa jej energię. Pole magnetyczne natomiast
zakrzywia tor cząstki.
Rys. 1
Po pewnym czasie cząstka ponownie dotrze do obszaru pomiędzy duantami.
Gdyby napięcie w obszarze szczeliny pozostało niezmienione, spowodowałoby
to wyhamowanie cząstki. Cząstka zostanie przyspieszona, jeśli w międzyczasie zmieni się zwrot pola elektrycznego, czyli jeśli napięcie pomiędzy duantami zostanie zmienione na przeciwne! Z tego powodu duanty są podłączone
do „prądu przemiennego”, czyli takiego, którego biegunowość (plus i minus)
zmieniają się cyklicznie. Konieczne jest, aby okres zmian napięcia był równy
okresowi obiegu cząstki – tylko wtedy cząstka będzie cyklicznie przyspieszana
(stąd nazwa: cyklotron!) przy każdym przejściu pomiędzy duantami. W miarę
wzrostu szybkości cząstki stopniowo zwiększa się również promień toru jej ruchu – torem cząstki jest więc spirala.
W momencie gdy cząstka zbliży się do krawędzi duantu, zostaje odchylona
przez stosowbe pole elektryczne i wyprowadzona na zewnątrz cyklotronu do
stanowisk badawczych. W rzeczywistości nie jest to jedna cząstka, ale strumień wielu takich samych cząstek o jednakowej energii.
Wydawać by się mogło, że energia cząstki wychodzącej z cyklotronu nie
jest duża, bo znacznie poniżej jednej miliardowej części dżula. Jednak jak na
tak małe „ciało” jest to bardzo dużo! Każda cząstka wychodząca z cyklotronu
10
Neutrino 17
to tak naprawdę pocisk, który w zależności od przeznaczenia urządzenia, może
służyć do rozbijania innych cząstek elementarnych lub niszczenia komórek nowotworowych.
Zasada działania cyklotronu wydaje się dziecinnie prosta, ale jej praktyczna
realizacja związana jest z wieloma problemami technicznymi.
Pierwszy cyklotron na świecie zbudowano w USA w 1931 roku. Pierwszy polski cyklotron uruchomiono w podkrakowskich Bronowicach 22 listopada 1958
roku. Obecnie w Polsce działają cyklotrony w Krakowie, Warszawie, w Instytucie Problemów Jądrowych w Świerku pod Warszawą oraz w Centrum Onkologii
w Gliwicach. W 2013 roku ma zostać uruchomiony kolejny – w Wojewódzkim
Szpitalu Specjalistycznym im. M. Kopernika w Łodzi.
Cyklotron U120 w IFJ w Krakowie
(http://www.portalwiedzy.pan.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=244%3Acyklotr
on-aic-144-instytut-fizyki-jdrowej-pan-w-krakowie&Itemid=114)
W Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie powstanie najnowocześniejszy
w Polsce ośrodek leczenia nowotworów oka. Ośrodek będzie częścią Narodowego Centrum Radioterapii Hadronowej.
WZ
Licznik Geigera-Müllera
Licznik Geigera-Müllera to urządzenie służące do rejestracji i zliczania promieniowania jądrowego. Licznik zbudowany jest zazwyczaj z metalowej rurki
o średnicy kilku milimetrów – katody. Anoda to cienki drucik biegnący w środku
(patrz rys.). Obie elektrody umieszcza się wewnątrz szczelnie zamkniętego
szklanego cylindra, wypełnionego gazem szlachetnym, np. argonem.
Do elektrod podłącza się wysokie napięcie elektryczne (kilkaset woltów),
dzięki czemu pomiędzy nimi panuje pole elektryczne. Przelatująca przez licznik cząstka powoduje powstanie wewnątrz licznika jonów, które przyśpieszone
polem elektrycznym tworzą lawinę jonów dodatnich oraz elektronów. Elektrony
ze względu na małą masę bardzo szybko docierają do anody, powodując przepływ prądu i gwałtowny spadek napięcia pomiędzy elektrodami, co przerywa
dalszy rozwój lawiny jonów.
Neutrino 17
11
Ten krótkotrwały przepływ prądu powoduje również krótkotrwały wzrost napięcia na oporniku R (tzw. impuls napięcia). Rejestrując poszczególne impulsy,
z których każdy odpowiada przejściu przez licznik pojedynczej cząstki, możemy ustalić liczbę cząstek przechodzących przez licznik.
Pierwszy licznik tego typu został opracowany przez Ernesta Rutherforda
i Hansa Geigera w 1908 roku. Licznik ten umożliwiał detekcję tylko cząstek
alfa. W roku 1928 Geiger wraz ze swoim doktorantem Waltherem Müllerem,
udoskonalił konstrukcję licznika, dzięki czemu możliwa była za jego pomocą
również detekcja promieniowania beta i gamma.
Schemat budowy licznika Geigera-Müllera
Radziecki detektor Geigera-Müllera (źródło: Wikipedia)
Liczniki współczesne:
Z.G-M
12
Neutrino 17
Pomiar promienia Ziemi
Odpowiedź na pytanie, jak duża jest Ziemia, ma kluczowe znaczenie w astronomii. Dzięki znajomości średnicy Ziemi można precyzyjnie metodą paralaksy
wyznaczyć odległości do planet Układu Słonecznego. Obecnie dzięki technikom
satelitarnym nasza błękitna planeta mierzona jest z dokładnością rzędu 1 metra, jednak samodzielne zmierzenie rozmiarów Ziemi może okazać się emocjonującą przygodą.
Od dawna wiadomo, że Ziemia jest w kształcie kuli i aby poszerzyć horyzont
widzenia trzeba wznieść się wyżej. Załóżmy, że Ziemia ma kształt kuli o promieniu R i że światło rozchodzi się po linii prostej. Horyzont wyznaczają linie
styczne do powierzchni kuli. Jeśli obserwator A znajduje się na wysokości x1
nad powierzchnią Ziemi, a obserwowany obiekt B na wysokości y1 – to mamy
sytuację jak na rys. 1. Maksymalna odległość, z jakiej możemy zobaczyć dany
punkt (na rys. 1 to odcinek AB) zależy od tego, jak wysoko jest on ponad
powierzchnią Ziemi (x1), jak wysoko nad powierzchnią jest obserwator (y1)
i oczywiście od promienia krzywizny Ziemi (R), czyli znając odległość AB i wysokości x1 i y1 można wyznaczyć promień Ziemi.
Rys. 1
Spróbujmy znaleźć zależność między promieniem Ziemi R a odległością AB
i wysokościami x1 oraz y1. Na rys. 1 można zauważyć, że Δ OGB jest podobny
do Δ DCB gdyż mają takie same kąty. Ze względu na to, że wysokość y1 jest
dużo mniejsza od promienia R można z bardzo dobrym przybliżeniem stwier1
dzić, że DB = y (wielokąt OGDC jest deltoidem, czyli |GD| = |CD|, a dla
2
małego α odcinki DC i DB będą w dobrym przybliżeniu jednakowe). Dzięki temu
można ułożyć proporcję:
y1
1
y
2
=
y
R
i analogicznie dla Δ AGO:
x1
1
x
2
=x
R
Neutrino 17
13
Z tych proporcji wyznaczamy y = 2Ry1 oraz x = 2Rx1 i wiedząc, że |AB| =
x + y mamy równanie: AB = R
(
)
2y1 + 2x1 . Podnosimy do kwadratu i wy-
znaczamy R:
R=
AB
(
2
2y1 + 2x1
)
2
Okazuje się, że dla odległości AB równej 1,5 km wysokości x1 i y1 wynoszą
kilka centymetrów, więc w jeden wieczór możemy wykonać pomiary. Aby to
zrobić, wystarczy znaleźć odpowiednio dużą, spokojną taflę wody i szukać,
z jakiej wysokości nad taflą punkt na drugim brzegu przestaje być widoczny.
Następnie zmierzyć wysokość miejsca obserwacji i punktu obserwowanego,
korzystając z mapy obliczyć odległość AB i wyznaczyć promień Ziemi z podanego wzoru.
Moim uczniom się to udało. Punktem obserwowanym było światło latarki
umieszczonej nisko nad wodą, doskonale widoczne wieczorem (fot. 1).
Fot. 1
Do obserwacji posłużyła rurka z lusterkiem ustawionym pod kątem 45°
umieszczona na statywie o regulowanej wysokości (fot. 2). Takie rozwiązanie pozwala w miarę precyzyjnie wyznaczyć wysokość miejsca obserwacji nad
powierzchnią wody, przy której znikał świecący punkt latarki znajdującej się
po drugiej stronie jeziora. Dzięki lusterku można wygodnie patrzeć „z góry”
na światło latarki, bez konieczności leżenia na brzegu. Ze względu na to, że
wieczorem (niekoniecznie w nocy) latarka jest doskonale widoczna z dużej odległości nie ma potrzeby stosowania zaawansowanej optyki.
14
Neutrino 17
Fot. 2
Precyzję pomiaru można zwiększyć stosując latarkę z diodami świecącymi
ułożonymi wzdłuż jednej linii. Dla takiego źródła umieszczonego poziomo, korzystny jest stosunek jego rozmiarów do wysokości nad powierzchnią wody,
no i oczywiście odległość brzegów jeziora powinna być jak największa (ale bez
przesady).
Pomiar promienia Ziemi tą metodą obarczony jest dosyć dużą niepewnością pomiarową. Gdy szerokość jeziora (AB) wynosi 1400 m to wysokości x1
i y1 wynoszą około 4 cm przy niepewności rzędu ±0,5 cm. To rzutuje na to, że
ostateczny wynik obarczony jest niepewnością systematyczną około ±700 km.
Kilkakrotnie mierzyliśmy z młodzieżą promień Ziemi tą metodą i za każdym razem wynik był mniejszy od oczekiwanego i to o więcej niż oszacowana
niepewność pomiarowa. Przypuszczam, że niejednorodność gęstości powietrza
była przyczyną tego, że światło nie biegło po linii prostej.
Pomiary przeprowadzane były jesienią po zachodzie słońca. Temperatura
powietrza była niższa od temperatury wody w jeziorze w wyniku czego tuż nad
powierzchnią wody utworzyła się warstwa nieco cieplejszego, a tym samym
rzadszego powierza. Bieg światła latarki był więc taki jak przy powstawaniu
miraży dolnych (rys. 2).
Rys. 2
Wydaje się, że na ostateczny wynik pomiaru znaczący wpływ
mają lokalne warunki atmosferyczne. Cóż, na tym polega przygoda, że nie wiemy co nas czeka. Ale warto próbować. Może na
wiosnę?
Witold Polesiuk, ZS nr 1 Wałbrzych
Neutrino 17
15
Ministacja meteorologiczna
Jako jedną z wakacyjnych rozrywek proponujemy
zbudowanie ministacji meteorologicznej i prowadzenie codziennych obserwacji pogody.
Pomiar ciśnienia – barometr
Potrzebne materiały:
• linijka
• wysoki słoik
• przezroczysta plastikowa rurka lub słomka do
picia
• plastelina lub guma do żucia
• taśma klejąca
• barwnik spożywczy, sok lub atrament
Sposób wykonania:
1. Za pomocą taśmy klejącej przyklej rurkę plastikową do linijki w taki sposób,
by dolny koniec rurki znajdował się na wysokości kreski oznaczającej 1 cm.
2. Włóż linijkę z rurką do słoika i za pomocą plasteliny lub taśmy klejącej przymocuj linijkę w górnej części naczynia.
3. Zmieszaj w osobnym pojemniku wodę z barwnikiem, sokiem lub atramentem, po czym napełnij słoik do około ¾ wysokości.
4. Plasteliną lub gumą do żucia zaklej szczelnie górną część plastikowej rurki.
5. Ostrożnie odlej nieco wody ze słoika. Zwróć uwagę, żeby dolny koniec rurki
był cały czas zanurzony w wodzie! Po odlaniu nadmiaru wody, poziom płynu
w rurce powinien być wyższy niż w pozostałej części pojemnika. Jeśli tak
nie jest, powtórz operację, upewniając się, że koniec rurki jest szczelnie
zalepiony.
Przeprowadzanie obserwacji:
Wykorzystując skalę linijki odczytuj codziennie wskazania barometru. Poziom
wody w rurce będzie się zmieniał w zależności od ciśnienia powietrza. Jeśli
ciśnienie atmosferyczne wzrośnie, siła, z jaką powietrze będzie naciskać na
powierzchnię płynu w naczyniu, zwiększy się i poziom wody w rurce podniesie
się. W przypadku spadku ciśnienia atmosferycznego zaobserwujemy obniżenie
poziomu wody w rurce. Spadek ciśnienia oznacza zwykle nadejście deszczu,
natomiast wzrost ciśnienia zwiastuje przeważnie dobrą pogodę. Aby zabezpieczyć barometr przed deszczem i zmianami temperatury, które mogą wpływać
na odczyt, najlepiej ustawić go gdzieś w domu, z dala od grzejników i okien
oraz nie zmieniać jego położenia.
Pomiar temperatury – termometr
Termometr powinien być zabezpieczony przed bezpośrednim nasłonecznieniem, wiatrem i deszczem. Jednocześnie należy zapewnić swobodny przepływ
powietrza w jego pobliżu, dlatego termometr najlepiej zamocować w otwartym
z jednej strony drewnianym lub plastikowym pudełku. Żeby ograniczyć nagrzewanie się pudełka, należy je pomalować na biało. Termometr najlepiej zawiesić
w zacienionym miejscu około 1 m nad ziemią. W pudełku można również umieścić higrometr (patrz dalej).
16
Neutrino 17
Pomiar wilgotności powietrza – wilgotnościomierz (higrometr)1
Potrzebne materiały:
• kawałek deski lub styropianu o wysokości
około 25 cm i szerokości 10 cm
• płaski kawałek cienkiego plastiku (np. stara
karta telefoniczna lub bankomatowa)
• dwa małe gwoździe
• trzy ludzkie włosy o długości około 15–20 cm
• moneta 1-groszowa
• klej i taśma klejąca
• nożyczki i młotek
Sposób wykonania:
1. Wytnij z plastiku trójkąt równoramienny
o podstawie 2,5 cm i boku 7,5 cm.
2. Wbij gwóźdź w pobliżu podstawy trójkąta.
Poruszaj gwoździem na wszystkie strony
tak, żeby powiększyć otwór. Powinien on
być na tyle duży, żeby trójkąt mógł się swobodnie obracać wokół gwoździa.
3. Przyklej monetę 1-groszową w pobliżu czubka trójkąta.
4. Przyklej końcówki włosów na środku trójkąta, w połowie odległości pomiędzy otworem po gwoździu a monetą.
5. Przymocuj gwoździem trójkąt z plastiku do kawałka drewna lub styropianu
na wysokości około 7 cm.
6. Wbij drugi gwóźdź w odległości około 1 cm od górnego brzegu kawałka
drewna lub styropianu w linii prostej nad miejscem gdzie do trójkąta przyklejone jest pasemko włosów.
7. Zamocuj drugi koniec włosów do górnego gwoździa i przyklej je mocno.
8. Zaznacz na kawałku drewna lub styropianu miejsce, w którym znajduje się
czubek trójkąta. Odrysuj na kawałku papieru fragment skali linijki i przyklej
go do kawałka drewna lub styropianu w ten sposób, żeby czubek trójkąta
wskazywał „0”.
Przeprowadzanie obserwacji:
Komórki włosów kurczą się lub zwiększają swoją objętość w zależności od wilgotności powietrza. Jeśli w powietrzu jest dużo pary wodnej, to komórki pęcznieją i długość włosów zwiększa się. W tym wypadku zaobserwujemy więc
opadanie czubka trójkąta. Natomiast, jeśli wilgotność powietrza spadnie, to
czubek wskaźnika powędruje ku górze, ponieważ komórki skurczą się, skracając tym samym długość włosów. Żeby ochronić higrometr przed zniszczeniem
najlepiej umieścić go w specjalnym pudełku, razem z termometrem.
Pomiar ilości opadów – deszczomierz
Potrzebne materiały:
• przezroczysta butelka po napoju (należy z niej odciąć górną połowę) lub słoik
o prostych ściankach (np. po oliwkach)
• plastelina
• taśma klejąca
• linijka
O pomiarze wilgotności można przeczytać w Neutrinie 15, s. 12.
1
Neutrino 17
17
• metalowy wieszak
• drewniany kołek do ugniatania plasteliny (np.
rączka tłuczka lub młotka)
Sposób wykonania:
1. Wyłóż dno słoika lub butelki plasteliną i za
pomocą płaskiej końcówki drewnianego kołka ugnieć plastelinę tak, aby powierzchnia
dna była idealnie płaska.
2. Umocuj linijkę w pojemniku, zagłębiając jej
końcówkę w plastelinie tak, aby poziom dna
odpowiadał pozycji „0”. Taśmą klejącą przymocuj linijkę do ścianki słoika lub butelki.
3. Zegnij metalowy wieszak w sposób przedstawiony na rysunku poniżej, tak by powstał
z niego uchwyt na słoik lub butelkę.
4. Zawieś butelkę z dala od drzew i budynków (na przykład na płocie lub na
wbitym w ziemię paliku).
Przeprowadzanie obserwacji:
Wykonuj odczyty poziomu wody w naczyniu tuż po opadach deszczu. W przeciwnym wypadku pomiar nie będzie precyzyjny ze względu na parowanie wody
ze zbiornika. Po każdym pomiarze opróżniaj naczynie.
Pomiar kierunku wiatru – wiatrowskaz (anemoskop)
Potrzebne materiały:
• drewniany palik lub kij od szczotki
• listewka o długości około 30 cm
• dwa gwoździe: jeden grubszy o długości ok.
7 cm i drugi cieńszy o długości ok. 3 cm
• metalowa podkładka pod śrubę o średnicy nieco większej niż średnica cieńszego
gwoździa
• aluminiowa forma do pieczenia lub kawałek
płaskiego twardego plastiku
• linijka i marker do płyt CD
• mocny klej
• taśma uniwersalna
• nożyczki
• ręczna piłka do drewna lub ostry nóż
• kombinerki
• młotek
• rękawice ochronne
18
Neutrino 17
Sposób wykonania:
1. Narysuj na kawałku plastiku lub sztywnej folii aluminiowej (np. z jednorazowej foremki do pieczenia) kształty przedstawione na poniższym rysunku.
Załóż rękawice ochronne i wytnij kształty. Uważaj na ostre krawędzie! – obklej je taśmą uniwersalną.
2. Piłką do drewna lub ostrym nożem wykonaj pionowe nacięcia o głębokości
około 4 cm na obu końcach listewki.
3. Umieść kawałki aluminium lub plastiku w nacięciach i przyklej je mocnym
klejem.
4. Zaznacz środek listewki. Ostrożnie wbij w zaznaczone miejsce grubszy
z dwóch gwoździ, po czym wyciągnij go kombinerkami.
5. W powstały otwór włóż cieńszy gwóźdź i sprawdź czy listewka może się wokół niego swobodnie obracać.
6. Zamocuj wskaźnik wiatru na drewnianym paliku lub kiju od szczotki. W tym
celu umieść na końcu kija metalową podkładkę, po czym włóż cieńszy
gwóźdź w otwór w listewce i wbij go młotkiem. Upewnij się, że wskaźnik
nadal może się swobodnie obracać wokół gwoździa.
Przeprowadzanie obserwacji:
Wbij palik w ziemię z dala od budynków i drzew, w miejscu nieosłoniętym od
wiatru. Wiatrowskaz będzie ustawiał się w ten sposób, że strzałka będzie wskazywać kierunek, z którego wieje wiatr. Będziesz więc musiał za pomocą kompasu lub obserwacji położenia Słońca na niebie określić kierunki świata i oznaczyć
je, na przykład umieszczając na ziemi w pobliżu wiatrowskazu cztery kamienie.
Do określenia stron świata możesz się również posłużyć gnomonem (patrz Foton 85, Lato 2004).
Pomiar szybkości wiatru – wiatromierz (anemometr)
Potrzebne materiały:
•
•
•
•
•
•
•
•
kątomierz
piłeczka pingpongowa
nitka
igła
nożyczki
taśma klejąca
kawałek deski lub styropianu o wymiarach około 20 cm x 20 cm
mała poziomica
Neutrino 17
19
Sposób wykonania:
1. Zrób igłą dwa małe otworki po przeciwnych
stronach piłeczki pingpongowej i przeciągnij przez nie nitkę. Zawiąż z jednej strony węzeł i przyklej końcówkę nitki taśmą
klejącą. Długość nitki po drugiej stronie
piłeczki powinna wynosić około 15 cm.
2. Przymocuj koniec nitki do górnej krawędzi
kątomierza, na samym środku.
3. W pobliżu dolnej krawędzi kawałka deski
lub styropianu przyklej taśmą klejącą kątomierz z doczepioną piłeczką pingpongową.
4. Tuż nad kątomierzem przyklej poziomicę, tak by dokładnie przylegała do górnej
krawędzi kątomierza.
Przeprowadzanie obserwacji:
Sprawdź za pomocą wiatrowskazu, z której
strony wieje wiatr. Ustaw wiatromierz dokładnie pod wiatr. Obserwując bąbelek powietrza
w poziomicy upewnij się, że anemometr jest
ustawiony poziomo i odczytaj odchylenie nitki na kątomierzu. Zanotuj wskazanie i odczytaj w tabeli prędkość wiatru odpowiadającą
odczytanej wartości.
Dziennik obserwacji pogody
Żeby śledzić zmiany pogody oraz nauczyć się
przewidywać zjawiska atmosferyczne, trzeba regularnie wykonywać pomiary (najlepiej
o tej samej porze dnia) i cierpliwie zapisywać
wyniki obserwacji. Strona z dziennika pogody może wyglądać na przykład w następujący sposób:
kąt (°)
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
szybkość wiatru
(km/h)
0
9
13
16
19
22
24
26
29
32
34
38
42
46
52
Data:
Godzina:
Opady
Ciśnienie
poziom wody w zbiorniku: .......... (mm)
poziom wody w rurce: .......... (mm)
Wiatr
Temperatura: .......... (°C)
kierunek wiatru:
Wilgotność
pozycja wskaźnika: .......... (mm)
Zachmurzenie
stopień zachmurzenia: ..........
typy chmur:
szybkość wiatru: .......... (km/h)
Dodatkowe obserwacje:
KC
20
Neutrino 17
Ocena stopnia zachmurzenia
Stopień pokrycia nieba przez chmury ocenia się zwyczajowo podając wartość
w skali od 0 (brak zachmurzenia) do 8 (pełne zachmurzenie).
Ocena stopnia zachmurzenia nieba nie jest jednak łatwym zadaniem. Żeby
się o tym przekonać, proponujemy zrobić prosty
eksperyment. Wykonane w czasie doświadczenia
tablice mogą nam następnie posłużyć do codziennego określania stopnia zachmurzenia.
Potrzebne materiały:
•
•
•
•
•
7 kartek formatu A4 w jasnoniebieskim kolorze
7 białych kartek formatu A4
ołówek, linijka
nożyczki
klej
Doświadczenie
1. Narysuj na każdej z białych kartek papieru siatkę
linii dzielącą kartkę na 8 równych prostokątów.
2. Z dwóch wybranych kartek odetnij jeden prostokąt, z dwóch następnych
– dwa prostokąty, z dwóch kolejnych – trzy prostokąty, a ostatnią kartkę
przetnij na pół. Otrzymane w ten sposób kawałki białej kartki odpowiadają
różnym stopniom zachmurzenia od 1 do 7.
3. Wybierz dwa identyczne kawałki białej kartki (na przykład 1/8 kartki A4).
Pierwszy kawałek papieru podrzyj lub potnij na drobne fragmenty, najlepiej
nieco różniące się kształtem i rozmiarem. Przyklej wszystkie fragmenty na
jedną z niebieskich kartek, starając się w miarę równomiernie pokryć całą
powierzchnię. Drugi kawałek podrzyj na większe fragmenty i przyklej je po
drugiej stronie tej samej niebieskiej kartki papieru. Otrzymaliśmy w ten
sposób tablicę przedstawiającą dwa przykłady pokrycia nieba o stopniu zachmurzenia 1.
4. Powtórz te same czynności z pozostałymi kawałkami białych kartek papieru.
5. W rogu każdej z kartek zaznacz odpowiedni stopień zachmurzenia (w skali
od 1 do 7).
Obserwacje i uwagi
Żeby określić stopień zachmurzenia
wyjdź na zewnątrz, zabierając ze
sobą tablice. Znajdź miejsce, w którym budynki i drzewa nie zasłaniają
zbytnio horyzontu. Rozejrzyj się we
wszystkich kierunkach i spróbuj ocenić, która z tablic najlepiej reprezentuje stan nieba. Pamiętaj, że każda
kartka zawiera dwie reprezentacje
tego samego stopnia zachmurzenia:
niewielka liczba dużych chmur może
pokrywać niebo w tym samym stopniu, co wiele małych chmurek.
KC
Neutrino 17
21
Chmura w butelce
W warunkach domowych możemy często zaobserwować powstawanie mgły,
na przykład nad dzióbkiem czajnika z gotującą się wodą albo chuchając na
zmarznięte ręce w zimie. W przedstawionym poniżej doświadczeniu przedstawiamy natomiast prosty sposób na wytworzenie małej chmurki w zamkniętym
pojemniku.
Potrzebne materiały:
• przeźroczysta butelka po wodzie mineralnej lub napoju gazowanym
• zapałki
• woda z kranu
Eksperyment
Wlej do butelki nieco wody, tak żeby zakryła
dno. Następne czynności trzeba wykonywać
dość szybko. Jeśli masz taką możliwość, poproś kogoś do pomocy. Zakręć zakrętkę i mocno potrząśnij butelką. Odkręć zakrętkę i zapal
zapałkę. Pozwól, żeby się paliła kilka sekund,
a następnie zdmuchnij płomień i natychmiast
wrzuć zapałkę do butelki, po czym jak najszybciej zakręć ją mocno. Kilkakrotnie ściśnij
mocno butelkę. Obserwuj, co dzieje się w jej
wnętrzu. Efekt będzie lepiej widoczny, jeśli
wykonasz doświadczenie w zaciemnionym pomieszczeniu, a butelkę oświetlisz latarką.
Obserwacje i uwagi
Po wrzuceniu zapałki w butelce zobaczysz
chmurę. Znika ona za każdym razem, kiedy
ściskasz butelkę i pojawia się ponownie po
zwolnieniu nacisku. Chmura powstaje na skutek skraplania się pary wodnej (gazowej formy
wody) na tzw. „jądrach kondensacji” – małych
Fot. M. Ciałowicz
zanieczyszczeniach, pyłkach itp. Wstrząsając
butelką nasycasz powietrze w jej wnętrzu parą wodną. Rolę jąder kondensacji
pełnią natomiast cząstki wchodzące w skład dymu. Para wodna jest bezbarwnym, niewidocznym gazem, natomiast drobne kropelki wody są widoczne w postaci mgiełki. Podczas ściskania butelki zwiększasz panujące w niej ciśnienie.
Dochodzi wówczas do tzw. przemiany adiabatycznej gazu (przemiany, podczas
której nie następuje wymiana ciepła z otoczeniem). Praca wykonywana podczas ściskania powoduje wzrost energii wewnętrznej gazu zamkniętego w butelce. Prowadzi to do wzrostu temperatury powietrza w jej wnętrzu, w wyniku
czego woda paruje i chmura znika. Podobny mechanizm odpowiedzialny jest za
tworzenie się chmur w atmosferze.
KC