Experimenty s detektorem MX-10

„Potřebovala bych si vyzkoušet jednu aktivitu, kterou chystám pro obecné využití, na žácích - abych měla představu, jak na experimenty s MX-10 budou reagovat, jak budou chápat teorii okolo, co všechno sami vědí. Nepůjčil bys mi nějakou třídu?“ četl jsem v mailu od RNDr. Zdeňky Koupilové z pražské KDF MFF UK. Okamžitě jsem tuto informaci přeposlal třídě 14M SPŠST Panská a v mailu vysvětlil, že MX-10 je vlastně digitální fotoaparát, který je schopen detekovat jaderné záření emitované z jádra atomu. Věděl jsem, že to kluky nadchne, protože je znám z hodin fyziky a vím, jak jsou hraví, jak rádi zkoušejí nové věci, … Když jsem dostal souhlas od vedení školy ke drobným změnám ve výuce, potvrdil jsem Zdeničce termín setkání.

Ve čtvrtek 22. 6. 2017 jsme se proto sešli v učebně číslo 2 v budově školy, Zdenička přijela vybavena jak částicovým detektorem MX-10, tak všemi možnými zdroji záření a různým materiálem, který pak používala na experimenty. Zatímco všichni ostatní žáci již byli dávno na cestě domů díky zkrácené výuce kvůli extrémnímu horku, které ten den panovalo v celé České republice, kluci ze 14M seděli natěšení v lavicích a čekali, co bude.

Po formálním představení se pustila Zdenička do vymezování základní pojmů, s nimiž během následujících téměř 120 minut bude potřeba pracovat. Kluci se zpočátku drželi se svými znalostmi a nápady zpátky, ale během velmi zajímavého výkladu a neméně zajímavých experimentů, se ledy prolamovaly a kluci se dostávali na svůj standard během pro ně zajímavých hodin.

Když Zdenička popsala ve stručnosti, jak detektor MX-10 pracuje, začala s jednoduchými experimenty. K prvnímu experimentu použila školní zdroj radioaktivního záření, který má sice velmi malý výkon a vyzařuje částice alfa pohlcující se na dráze několika centimetrů ve vzduchu, ale který je přesto evidován u státních úřadů sledující jaderné záření. Detekované alfa částice se zobrazily v příslušném programu jako světlé stopy na černém pozadí křemíkového čipu.

„Ten čip je čtverec o rozměrech přibližně 1,4 cm a pracuje v rozlišení 256 pixelů. Jeden pixel tedy odpovídá vzdálenosti asi 55 mikrometrů,“ sděluje Zdenička a já, protože jí znám, tuším, že přijde nějaké výrazné ALE. „Tahle alfa částice zabírá plochu asi 300 mikrometrů krát 300 mikrometrů,“ pokračuje dále Zdenička a ukazuje příslušný výřez. „Takže ta alfa částice je takhle velká?“

A je to tady. S naprostým klidem dovedla žáky k faktu, který se na první pohled vzpírá fyzikální zkušenosti. Postupně společně se žáky rozklíčují, že průměr samotného jádra je stotisícina průměru celého atomu; a ten má přitom průměr odpovídající desetině nanometru. Takže alfa částice nemůže mít rozměry v řádu desetin milimetru!

„Příčina je v tom, že alfa částice ionizuje při interakci s materiálem čipu mnoho jeho pixelů a detektor vyhodnotí ty pixely čipu, na kterých ionizace nastala. Míru rozptylu (a tedy i velikost alfa částice na záznamu z detektoru) lze ovlivnit přiloženým napětím. Takže vše je v pořádku,“ dodává Zdenička s úsměvem.

Poté ukazuje a vysvětluje další možnosti vizualizace naměřených dat. Na zobrazených grafech pak můžeme odečítat energii částic, které detektor detekuje, i jejich počet. Závislost těchto parametrů na vzdálenosti zářiče od detektoru okamžitě demonstruje experimentálně.

Jako zdroj beta záření používá Zdenička běžně dostupné draselné hnojivo. Pak své experimenty proloží ekologickým okénkem, v rámci kterého vyhodnocuje radioaktivní záření zachycené na předem nabitých baloncích. Jeden balonek byl v místnosti, druhý byl vystrčen asi hodinu z okna učebny. Na balonku zvenčí se nachytalo více částic, ale na druhou stranu balonek na přímém slunci nezůstal celou dobu nabitý. Kvalitu úklidu v učebně pak předvádí detekcí částic z ubrousku, kterým vytřela roh místnosti. A ubrousek žádné radioaktivní záření nenaměřil, takže učebna byla uklizená perfektně.

Neplánovanou vložkou pak bylo zjištění, že detektor dokáže zaznamenat i záření blesku fotoaparátu.

„Musím program restartovat, ten detektor je asi v tom horku přehřátý,“ reaguje Zdenička na náhle zobrazený panel se zdánlivě přezářeným čipem detektoru a restartuje program.

„A nemůže to dělat ten blesk?“ ptá na jeho styl velmi nenápadně Petr Kadeřábek při opětovném přezáření čipu.

„To asi ne,“ soudí Zdenička a znovu program restartuje. Když se problém objeví potřetí, jsem vyzván, abych blesknul přímo na čip. A je jasné, že to dělá opravdu blesk.

„Vždyť jsme ale energeticky o několik řádů jinde,“ divím se.

„Ale asi ta energie je právě kompenzována výkonem toho blesku. To ještě později musím prozkoumat. To mě zaujalo,“ raduje se Zdenička.

Poté prozkoumáme jáchymovský smolinec a ukážeme si, jak špatně se na rozdíl od alfa záření stíní gama záření. Na závěr pak Zdenička velmi jednoduchým způsobem ukáže základní princip gama nože, který se používá k léčení nádorů v hlavě. K demonstraci postačilo několik pásků v laserové tiskárně potištěné fólie. Barva fólie se přitom exponenciálně snižovala od sytě černé po zcela průhlednou.

„Já bych mohla mluvit další dvě hodiny,“ směje se Zdenička, „ale myslím, že v tom vedru toho máte i vy dost!“

Poděkuje klukům za ochotu přijít nad rámec jejich povinností do školy a ti jí odmění bouřlivým potleskem!

Při následném balení svých pomůcek spolupráci kluků ze třídy 14M Zdenička velmi kladně hodnotila. Byla i na jiných školách a kluci ze 14M podle ní jevili o předváděnou problematiku nejvyšší zájem!

Průběh přednášky s experimenty zobrazují fotografie.

Autor fotografií:

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 23. 6. 2017