Heuréka - 16. seminář (fyzika mikrosvěta - atomová fyzika: LASER, jaderná fyzika, fyzika částic)

O víkendu 31. 3 - 2. 4. 2023 se konalo v prostorách SPŠST Panská v budově v Malé Štupartské další setkání projektu Heuréka pro střední školy. Jednalo se o šestnáctý seminář dalšího běhu projektu, který podporuje KDF MFF UK Praha a Elixír do škol.

V pátek v půl osmé večer se sešlo v učebně fyziky 22 účastníků (včetně jednoho žáka naší školy) na šestnáctém semináři věnovaném středoškolské fyzice. V sobotu ráno pak dorazili další dva účastníci.

1. blok: Periodická soustava prvků, LASER

Minutu po půl osmé večer vítám účastníky dalšího semináře. Po nezbytných technických oznámeních přecházíme k fyzice.

„Minule jsme skončili kvantovými čísly, nyní nás čeká pohled na periodickou soustavu prvků,“ začínám. „Rád bych to probral stručně z hlediska fyziky, nejsem chemik, takže detaily asi vědět nebudu.“

Nejdříve ale zmíníme dva zákony (nebo pravidla), které nemají v makrosvětě analogii:

„Platnost tohoto principu rozděluje částice na dva druhy,“ říkám a postupně vysvětluji rozdíl mezi fermiony a bosony.

„A pochopitelně u toho všeho musíme ctít princip minima energie, který se prolíná celou fyzikou,“ dodávám.

Poté ukážu mnemotechnickou pomůcku na to, v jakém pořadí se zaplňují jednotlivé orbitaly, jejichž označení souvisí s kvantovými čísly probranými na minulém semináři. Pomůcku vysvětlíme fyzikálně právě z hlediska principu minimální energie a shodneme se, že nikdo z nás k tomuto tématu neučí víc.

Poté přecházíme k LASERu.

„Pokud si napíšete celý název k tomuto zkratkovému slovu,“ usmívám se, „a přeložíte si ho do češtiny, tak je princip činnosti LASERu jasný z něj. Ale rozebereme ho pochopitelně detailněji,“ říkám, když anglický název píšu na tabuli.

„Laser v hodinách vysvětluji na dvou energetických hladinách, i když se v praxi používají systémy tríhladinové nebo čtyřhladinové,“ pokračuji dále a obhajuji své rozhodnutí, proč to tak dělám.

„To ale není dobře,“ ozve se kolega Jirka Adam. „To jsem zvědav, jak to vysvětlíš!“

Postupně vysvětluji (a částečně z minula připomínám) základní pojmy:

Na dotaz od účastníků semináře se pokusím vysvětlit pojem koherentní záření. Poté se rozproudí debata, která začíná míchat různé pohledy na danou problematiku. Ale částečné vysvětlení tohoto pojmu snad přinesla.

Poté diskutujeme pojem populační inverze a snažím se vysvětlit, jak tohoto stavu dosáhneme.

„Pokud myslíte, že je to pro vás užitečné, vezměte si pracovní list, který dávám při tomto výkladu žákům. Mohou si do něj dělat poznámky a celou problematiku jsem se tam snažil rozložit do řady kroků. Inspirace jsem měl dvě. Jednak přestal díky skončené softwarové podpoře fungovat poměrně zdařilý aplet, který jsem několik let ukazoval. A pak jsem viděl podobné materiály na jedné exkurzi tady v Praze.“

Vysvětlím pojem aktivní prostředí a dojdeme logicky k potřebě mít v LASERu i nějakou kladnou zpětnou vazbu. Tu budou tvořit zrcadlo a polopropustné zrcadlo.

„Princip polopropustného zrcadla jsem vysvětlovat minule nebo předminule, když jsme se bavili o Michelsonově interferometru,“ dodávám.

Tím, vzhledem k tomu, kolik je hodin, končím dnešní blok.

Závěrečné slovo patří Jirkovi Adamovi, který komentuje můj výklad z hlediska odborného fyzika. Jeho výtky jsou na místě, ale nedovedeme si příliš představit, jak implementovat správný postup konstrukce LASERu jednoduše do hodin středoškolské fyziky.

2. blok: LASER, úvod do jaderné fyziky

Začátek prvního sobotního bloku věnujeme dokončení základního principu činnosti LASERu včetně uvedení vlastností jeho světla a použití v praxi. Vlastnosti světla LASERu diskutujeme společně, účastníci setkání uvádějí své vlastní postřehy – jak ohledně využití světla LASERu, tak ohledně různých typů konstrukce.

Problémy, které se zjednodušeným výkladem principu činnosti LASERu souvisejí, pak okomentuje Jirka Adam.

Poté začneme jadernou fyziku a nejdříve projdeme vlastnosti jader:

U vazebné energie jader připomenu výpočet, který jsem dělal na minulém semináři obecně, a aplikuji ho na vazebnou energii jádra. Poté nakreslím graf závislosti separační energie na nukleonovém čísle.

„Kdo jste absolvovali semináře se Zdeňkou Koupilovou – ať už prezenční nebo on-line – tak víte, že má k dispozici data o všech známých nuklidech, na základě kterých si můžete se žáky vazebné energie spočítat a z nich vykreslit i uvedený graf,“ upozorňuji účastníky semináře.

„Graf, který jsem nakreslil, by měl být vlastně trojrozměrný – třetí osou by mělo být protonové číslo. Pak by teprve vynikly všechny vlastnosti separační energie,“ dodávám.

Zmíním, která jádra se snáze slučují a která snáze štěpí, s poznámkou, že se k detailům vrátíme později, až se dostaneme k jaderným reakcím.

Před koncem prvního sobotního bloku projdeme ještě úvod do radioaktivity.

3. blok: Radioaktivita, experimenty s detektorem MX-10

Další blok začínám popisem detektoru MX-10, který naše škola vlastní, a popisem principu jeho činnosti. K tomu využívám dva slajdy z prezentace Zdeňky Koupilové, která detektor zpopularizovala mezi českými učiteli fyziky.

Nejdříve ukážu, co lze ze zobrazených dat vyčíst a poté postupně detektujeme záření:

Zkoumáme také pohlcování záření různými předměty (dodanými plátky různých materiálů, mikrotenovým sáčkem, …). Experimenty provádíme pouze kvalitativní, ačkoliv detektor umožňuje provádět i velmi sofistikované experimenty kvantitativní.

Před koncem bloku ještě stihneme projít vlastnosti alfa záření a vysvětlit, jak může interagovat s látkou, kterou prolétává. Současně vysvětlujeme, že následkem ionizace atomu odtržením elektronu z jeho obalu nebo uvolněním alfa záření nebo beta záření z jádra atomu, přestává být atom elektricky neutrální a stává se tedy chemicky reaktivnější. To řadu účastníků semináře překvapilo, protože si příslušné údaje navzájem nepropojili.

„Chápu, že jste o tom možná neuvažovali, protože probíráme každou část atomu odděleně, ale je dobré si uvědomit i celkový pohled,“ dodávám. „Nehledě na to, že takový dotaz může přijít od žáků.“

Krátce po dvanácté hodině odcházíme na oběd, spojený v řadě případů i s procházkou Prahou.

4. blok: Radioaktivní záření, rozpadové řady, aktivita zářiče a rozpadový zákon

V rámci prvního odpoledního bloku dokončíme typy radioaktivního záření, s nimiž se můžeme setkat. U každého popíšeme jeho vlastnosti, způsoby přeměny původního radionuklidu a způsob interakce s materiálem, kterým záření prochází.

Poté si uvědomíme, že málokdy se stane, že se daný radionuklid rozpadne přímo na stabilní nuklid, ale že rozpad probíhá v určitých řadách. Tyto řady nejdříve popíšeme a vysvětlíme obecně, poté ukážu aplet v programu Mathematica, který jsem vytvořil na základě podnětu Zdeňky Koupilové. V něm jsou jednotlivé řady popsány v grafu závislosti buď hmotnostního čísla nebo neutronového čísla na protonovém čísle.

Když si připomeneme, co je aktivita zářiče, odvodím rozpadový zákon:

Oba vztahy pak okomentuji a matematicky ukážu jejich ekvivalenci. To, soudě dle následných reakcí, bylo pro některé účastníky velmi užitečné (pro některé dokonce i nové).

Tento blok končím o pár minut dříve, protože další program bychom stejně za zbývající čas nestihli.

5. blok: Experimentování s mincemi a pivem, jaderné reakce

Druhý odpolední blok začínáme dříve, tak abychom dohnali časovou ztrátu z minulého bloku. A začínáme ho experimentem. Pro účastníky semináře mám připraveno v deseti nádobkách sto českých korun, s nimiž lze vhodně simulovat radioaktivní rozpad.

„Se žáky to dělám stejně, jen jim zadám v září, že si mají cca v březnu přinést do dvojice sto korun,“ vysvětluji. „Pro vás jsem je vyměnil v bance ze své tisícikoruny.“

Úkol pro účastníky semináře je stejný jako pro žáky: rozhodnout se, která strana mince bude představovat zatím nerozpadlá jádra. Pak mince zamíchat, hodit na stůl, „rozpadlá jádra“ vyřadit, spočítat „nerozpadlá jádra“ a s těmi pokračovat stejně dále. Poté, co jim zůstane jen jedno nebo žádné „nerozpadlé jádro“, mi nahlásí postupné počty „nerozpadlých jader“ v jednotlivých krocích experimentu, já je zapíšu do programu Mathematica a připravený skript údaje vyhodnotí a zobrazí:

Grafy si prohlédneme a okomentujeme. Poté spočítáme konstantu vystupující v exponentu exponenciální funkce z „poločasu rozpadu rovnému jednomu hodu“. Porovnáním s konstantou spočtenou systémem Mathematica zjišťujeme poměrně dobrou shodu.

„Pokud učíte i matematiku, můžete tento experiment využít i ke studiu pravděpodobnosti nebo základům statistiky,“ dodávám.

Druhý experiment simulující totéž je založen na proměřování výšky pivní pěny v nádobě s nalitým pivem.

„V tomto experimentu je nutné postupovat zpočátku velmi rychle. Otevřít pivo, které má pokojovou teplotu, nalít relativně prudce do nádoby a okamžitě začít odečítat výšku pivní pěny. Máte-li ve skupině více rukou, lze odečítat výšku piva a celkovou výšku pěny a nádobě a po skončení experimentu oba údaje od sebe odečíst,“ dodávám.

Poté zavelím, účastníci otevírají plechovky s pivem a lijí do nádob. Já začínám odměřovat desetisekundové intervaly, ve kterých pak účastníci semináře měří příslušné veličiny. I tato data zpracuje skript systému Mathematica a zobrazí závislosti výšky pivní pěny na čase. U většiny měření je exponenciální pokles krásně znatelný, a to i přes to, že odečítat přesnou výšku pěny není vždy možné.

Po krátké zmínce o umělé radioaktivitě pokračujeme k jaderným reakcím. Nejdříve popíšeme obecné charakteristiky, poté se věnujeme štěpení.

6. blok: Jaderné štěpení, jaderná elektrárna, jaderná fúze

V posledním bloku sobotního dne se věnujeme jadernému štěpení a jeho využití v praxi. Doplňuji štěpnou jadernou reakci, kterou jsem napsal na konci přecházejícího bloku, a vysvětluji její význam pro praxi.

Poté přecházíme k jadernému reaktoru a vysvětlujeme si jeho jednotlivé části a fyzikální principy jejich činnosti i důležitost v reaktoru. Od reaktoru pak vede logická cesta přímo k jaderné elektrárně. I u ní projdeme postupně její komponenty, vysvětlíme princip jejich činnosti a popíšeme jejich význam pro jadernou elektrárnu.

Během toho si sdílíme náměty na exkurze, historky z hodin i některé metodické postupy, jak tuto látku co nejvíce přiblížit žákům.

Závěr bloku je věnován základním principům jaderné fúze a využití v praxi. Přitom někteří z nás vzpomínají na zájezd, který se do francouzského ITERu, uskutečnil v roce 2019.

Krátce po půl deváté se loučíme, přejeme si krásný večer a dobrou noc a těšíme se na další dva nedělní bloky.

7. blok: Využití radionuklidů v praxi, detektory částic, urychlovače

První nedělní blok zahajujeme přehledem využití radionuklidů v praxi. Postupně projdeme:

Poté přejdeme k fyzice částic, kterou začneme základními principy detektorů částic využívajících se při fyzikálním zkoumání částic. Několik detektorů fyzikálně popíšeme, ostatní zmíníme pouze stručně.

Informace o urychlovačích částic začneme rozdělením urychlovačů na lineární a kruhové; u každého z nich popíšeme fyzikální princip, výhody i nevýhody.

„Důležité je předat žákům informaci, proč jsou urychlovače důležité v praxi,“ pokračuji. „Nejsou to jen hračky fyziků, pomocí kterých zkoumají složení hmoty. Nejsem lékař, ale zcela jistě k nalezení vakcíny na COVID, který nás před lety trápil, přispěly jednak elektronové mikroskopy, pomocí kterých jsme získali informaci, jak vir vypadá, ale i urychlovače částic, které poskytly informace o složení hmoty. A poté mohli lékaři ve spojení s biology a inženýry pracujícími s různými grafickými programy navrhnout vakcínu, která se bude správně vázat na jednotlivé výběžky viru a tím ho zničí nebo potlačí jeho činnost.“

„Druhým přínosem pak je zlevnění technologií,“ dodávám. „A to nejen iVěcí, které máme po kapsách, ale i různých lékařských přístrojů jako jsou tomografy, gama nože a podobně. Velké fyzikální ústavy, ale i různé firmy, potřebují rychlé, levné, přesné, v řadě případů miniaturní a spolehlivé technologie. Tím, že je tyto firmy využívají, tak jejich vývoj zaplatí a při provozu je otestují. Proto jsou pak tyto technologie finančně dostupnější.“

8. blok: Principy urychlovačů, silové interakce

Poslední blok semináře věnujeme z velké části základním principům činnosti urychlovačů. Postupně projdeme jednotlivé komponenty, které jsou nezbytné k činnosti urychlovače:

U každé komponenty načrtnu obrázek, vysvětlím fyzikální princip a ukážu fotografii pořízenou během cest se žáky naší školy do CERNu. U některých fotografií mám za léta, kdy tuto exkurzi nejen pro žáky, ale ve dvou případech i pro učitele, připravuji, zachycen i celkem pěkně časový vývoj některých částí urychlovače.

Na přání účastníků věnujeme zbytek semináře silovým interakcím. Jednotlivé vlastnosti interakcí diskutujeme nad tabulkou, kde jsou přehledně vypsány.

Několik minut před dvanáctou hodinou se loučíme, účastníci si balí své věci, uklízíme prostory školy, které jsme během víkendu používali, a rozjíždíme se do svých domovů.

A trošku statistiky na závěr: za celý víkend jsem šel 25krát z kabinetu fyziky ve druhém patře do přízemí ke vchodu otevřít účastníkům školu. Jedna cesta z přízemí do druhého patra čítá 64 schodů o výšce 12,5 cm; vyšel jsem tedy celkem 200 m a přitom vykonal práci 215 kJ.

Materiály ze semináře, které jsou účastníkům k dispozici, a odkazy:

Průběh semináře a některé naměřené grafy zobrazují fotografie.

Autoři fotografií:

Jan Kratochvíl

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 3. 4. 2023