ISSN 0351-6652 Letnik 30 (2002/2003) Številka 3 Strani 164-168 Jože Pahor: BINE UGOTAVLJA RADIOAKTIVNOST Ključne besede: fizika, radioaktivnost, razpad jeder, delci alfa. Elektronska verzija: http://www.presek.si/30/1519-Pahor.pdf © 2002 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije © 2010 DMFA - založništvo BINE UGOTAVLJA RADIOAKTIVNOST Bine Umnik je, skrit za časopisom, nabadal zadnje rezine kumarične solate, "Poslušaj, Urša, Bush bo napadel Irak. Potem bo Sadam na Izraclce - dlje mu kanom ne nesejo - ustrelil uši, okužene s tifusom. Saron bo na biološki napad odgovoril z atomsko bombo. Potlej bodo kumare radioaktivne!" Urša je iskala rešitev. "Jutri lahko vložim dvajset kozarcev kumar..." "Kumare že. Kaj pa solata? Boš tudi solato vlagala?" se je obregnil Bine, ki je imel drugačne načrte. Sevanja ne vidimo, ne slišimo, ne čutimo in ne vohamo. Treba bo napraviti nova čutila! Naredil bo merilnik radioaktivnosti, s katerim bo sam nadziral užitnost solate ali kumar. Po neuspehih v preteklem letu se je namreč Bine lotil spoznavanja fizike. V bližnjo knjižnico si je hodil sposojat učbenike, leksikone in različne priročnike ter se marsičesa naučil. Na lov torej za delci alfa in beta in tako naprej! Bine je bil član lovske družine in ga je privlačila velika divjad. Gremo torej nad delce alfa, ki so v atomskem svetu kot medvedje proti polhom - elektronom. Delec alfa ima maso. Ko odleti iz jedra, ima hitrost in zato gibalno količino ter energijo, nosi pa tudi električni naboj. Vsaka od teh lastnosti Binetu lahko koristi, da ga bo odkril. Ko se delec končno ustavi, najde nekje dva elektrona in postane helijev atom. Ne nosi več naboja in, ker je ob vso hitrost, nima energije ter gibalne količine. Je samo še navaden, dokaj redek državljan atmosfere. Bine se je potil in računal. Delec alfa, majhna kroglica, odleti iz jedra polonija 210 s hitrostjo okoli 10' m/s, S tolikšno hitrostjo bi v štirih sekundah obkrožil Zemljo, če bi imel prosto pot. Če pa se kam zaleti, se ustavi. Podobno izstrelek iz puške, ki obtiči v kladi, le-to potisne naprej. Klada in izstrelek si zdaj delita gibalno količino, ki jo je imel prej samo izstrelek. Klada odpotuje naprej, vendar s precej manjšo hitrostjo od izstrelkove. Če visi klada na vrvicah, zaniha. Tudi delec, alfa je tak izstrelek. Bine bi vzel meter dolgo nit, na katero bi obesil približno desetmiligiamsko utež. Tarča bo torej kvadratni centimeter papirja. Seveda bi morala biti nihalo in vir sevanja v brezzračnem prostoru, sicer bi delec alfa nihala niti ne dosegel. Minila je ura, ko se je Bine še vedno sklanjal nad papir. Ni bil videti dobre volje. Če je račun pravilen, bo največji odmik klade nekajkrat 10_y m. To pa je le nekaj deset atomskih premerov. Tolikšnega odmika ne bo zaznal. Slika 1. Binetov prvi izum. Delec alfa leti proti nihalu. V njem obtiči in potisne nilialo naprej. Nihalo zaniha,, kar je znak, tla je nihalo zadel delec alfa. Iz največjega odklona pa lahko celo razberemo energijo delca al Ta. Ampak v slogi je moč. Kar ne zmore en sam delec, jih zmore več. Koliko delcev mora prestreči tarča vsako sekundo, da bo odklon nihala vsaj ena stopinja? Delci prihajajo v curku. Zato nihalo ne more nihati, ampak kaže stalen odklon. Bine se je spet potil. Sment, v sekundi je potrebnih 109 delcev. Solata, ki bi oddajala toliko delcev alfa, bi bila zanesljivo neužitna, saj je praktično škodljiv vsak alfa delec. Ne, z gibalno količino ne bo nič. Torej k energiji. Delec alfa, ki bi zadel vodno kapljico in v njej obtičal, bi ji prinesel nekaj energije. Zato bi se kapljica neznatno segrela. Če bi kapljico zadelo dovolj delcev, bi morda lahko izmeril prirastek temperature z zelo občutljivim termometrom. Poskusimo izračunati prirastek. Delec naj ima energijo 5 MeV, kar je 8-10-13 J. Petnajst, kapelj vode napolni kubni centimeter, ki tehta 10~3 kg. Približno 4300 ,1 toplote potrebujemo, da segrejeino kilogram vode za stopinjo, tisočkrat manj za kubni centimeter, še petnajstkrat manj za kapljo. Najbrž bi še lahko zaznali spremembo stotinke stopinje. Ko delimo torej zadnji rezultat s sto, zvemo za potrebno toploto, ki je 3 ■ 10-3 J. Tolikšno toploto prinese kaplji vode približno 4 101* delcev alfa. Res je, da ni treba, da prilete v isti sekundi. Lahko jih zbiramo daljši čas, če se le ne bo kaplja sproti tudi preveč hladila. Vendar tudi termometer ukrade nekaj toplote, preden kaj pokaže. Ker pa je Bine poznal le Živo-srebrni termometer, ki je gotovo pogoltnejši od kaplje vode, se je vdal. Poskusil bo drugače. I + ^ Slika 2. Delec alfa obtiči v kaplji vode in jo neznatno segreje. Koliko delcev potrebujemo, da bi lahko zaznali temperaturni dvig? N,u lJ,iin.i termometer ne bo dober, ker pogoltne preveč toplote, da jo pokaže. Ko odda delec alfa vso energijo in ukrade v okolici dva elektrona., postane helijev atom. S helijem polnijo balone, da se ti dvignejo. Morda bi napolnil s solato gumast balonček in ga tesno zadrgnil. Iz solate bi izhajali delci alta, se spreminjali v helijeve atome in polnili balonček. Ko bi bil balonček lepo napihnjen, bi o d letel v nebo in rešil Bineta radioaktivne solate. Preveč lepo, da bi bilo res. Verjetno nobena solata ne bi premogla toliko helija. Slika. 3. V prazni posodi je vir delcev alfa. Med razpadom se v posodi nabira helij. Tlak v posodi raí te. Pokaže ga živosrebrni manometer. Pa. saj ni treba, da imaino helija na litre. Poskusimo z neznatno posodico. Na posodico pritrdimo živo srebrn i manometer. V povsem prazni posodici je le vir sevanja alfa. Delci izletavajo, postajajo atomi helija in ustvarjajo tlak v posodici. Čez nekaj Časa je v levem kraku nad živim srebrom še vedno brezzraeni prostor, v desnem kraku pa potiskajo živo srebro navzdol helijevi atomi, ki se jih nabira čedalje več. Razliko med gladinama živega srebra na levi in na desni, recimo 1 mm, pa lahko lepo vidimo. Le koliko delcev alfa bo potrebnih, da se gladini razmakneta za toliko? Bine se je odločil za zelo majhno posodo, morda 5 cm3. Kaj? Več kot 1020 delcev alfa naj bi nabral? Spet neuspeh. Morda bi mu lahko koristile električne lastnosti delca alfa? Vsak delec nosi električni naboj. V posodo brez zraka bi torej na eno stran postavil vir sevanja, na drugi strani bi na izolirano elektrodo prestrezal delce. Ko bi povezal elektrodo z virom delcev prek ampermetra, bi ta pokazal električni tok vsakokrat, ko bi delec alfa treščil v elektrodo. Le kolikšen utegne biti tok? Naboj, ki ga. delec alfa nosi, je 3,2 ■ 10~,!1 As. Če prileti vsako sekundo delec, pomeni to tok 3,2-10-19 A. Ampermeter ne bi pokazal nič, mil i amper meter tudi ne, celo mikroampermeter bi bil premalo občutljiv. Za. nanoampermetre pa Bine še ni slišal. Mogoče bi pomagala elektronika? Tudi z njeno pomočjo bi lahko zaznal tokove le tja do 10"15 A. Tak tok bi zagotavljalo po 10000 elektronov vsako sekundo. Solata, ki bi oddajala toliko delcev, bi bila zanesljivo Škodljiva. Ven d a,r je zdaj Bine zaznavi precej bliže kot pri uporabi čutil, ki so temeljila na mehaniki in toploti. Slika 4. Delce alfa prestreza desna elektroda. Bo mogoče izmeriti električni tok'? Slika 5. V kondenzatorju C nekaj časa zbiramo naboj. Med elektrodama kondenzatorja raste napetost. Bi jo lahko izmerili po dovolj dolgem času? Kaj, če ne bi naboja sproti izgubljal prek ampermetra, ampak bi ga nekaj časa zbiral? Zbirna elektroda in ohišje Škatle sta kondenzator. Naboj, ki ga prinašajo delci alfa, polni kondenzator. Med ploščama narašča električna napetost. Prirastek je tem večji, čim manjša je kapaciteta kondenzatorja. Pri kapaciteti 20 pF bo vsak prestreženi delec povečal napetost za kondenzatorju za 1,5 ■ 10-8 V. Da bo Bine napetost lahko meril, naj zrase do enega milivolta. Če oddaja vir 100 delcev alfa vsako sekundo, bo moral čakati 1 500 sekund, kar je skoraj pol ure. Bine je izčrpan obupal. Če je že z delci alfa toliko preglavic, kako naj najde še drobnejše elektrone? Da bi vsaj Bush ne začel vojne! Binetu smo pokukali prek rame v njegove račune. Pri ujetju delca alfa v klado je zapisal ohranitev gibalne količine, mv — (M + rn)v Hitrost delca alfa v je izračunal iz njegove energije E, torej E = mv2¡2. Masa klade in masa delca alfa sta M in m. Zdaj Bine pozna maksimalno hitrost nihala v%, zato lahko izračuna njegovo kinetično energijo. Masa niti je zanemarljiva v primerjavi z maso obeska. Ko se nihalo giblje proti skrajni legi, se likrati dviga. Zato se mu veča potencialna energija, manjša pa kinetična in z njo hitrost. V skrajni legi velja mv2/2 = mg h. Dvig h pa povezuje z odklonom a Pitagorov izrek, a2 -f (/ — — h)'2 = i2. Pri računanju je Bine zanemaril člen h2, ki je gotovo mnogo manjši od člena hI, Pri računanju tlaki st je Bine pomaga] z nekaterimi podatki, a katerimi ga je seznanila kemija. Mol kateregakoli plina, ki zavzema 22,4 litra, pri sobni temperaturi in ima tlak približno enak atmosferskemu. šteje približno 6-10*' atomov. Mol helija tehta i granit-. Razlika gladin živega srebra 760 mm ustreza atmosferskemu tlaku. Rine mora napolniti s helijem le prostornino 5 cm3 do tlaka, ki je 760-krat manjši od atmosferskega. Do rezultata je Binetn pripeljal le sklepni račun. Tudi z megaelektronvolti (MeV) ni bilo težav, čeprav so enota iz atomskega sveta. Kadar pade kamen z maso 1 kg v težnostnem polju Zemlje za en uieter. pridobi na energiji 0.81 .1. Tolikšno energijo hi lahko razglasili za enoto energije, če ne bi že imeli dobrih starih joulov. Podobno kot deluje težnost no polje ua maso, deluje električno polje na naboj. V atomskem svetu, kjer se igramo z elektroni in s precej težjimi protoni, ki oboji nosijo električni naboj c0, enak 10-5