Bulut Odası

Bulut Odası, yüklü parçacıkların izlerini görünür hale getiren bir aygıttır. Bu deney radyasyondan kaynaklanan parçacıkların gözlemlenmesine dayanan ve öğrencilerin atomaltı parçacıklarla ilgili temel bilgilerinin artırılmasına yönelik yapılan, ayrıca atomaltı parçacıklar hakkında fikir sahibi olmamıza olanak sağlayan bir deneydir.

• Amacı: Kozmik parçacıkların bulut odası adlı algıçta bıraktıkları izleri gözlemlemek ve parçacık algıçları hakkında bilgi sahibi olmak.
• Hedef Kitle Yaş Grubu: Lise (15-18 yaş)
• Etkinliğin Konusu: Bulut Odası algıcının her bir öğrenci grubu tarafından kurulup, algıcın çalışma prensibinin anlaşılması ve gözlemlenen parçacıkların türlerinin tespiti.
• Etkinliğin Süresi: 90 dakika (Buradaki süre deneyin tüm hazırlıkları için verilmiştir. Deney düzenek ve malzemeleri hazır olduğu taktirde bir ders saatinde çok rahat yapılabilmektedir.)

Giriş

Bulut Odası 

Bulut odası en eski parçacık algıçlarından yani dedöktörlerindedir. Parçacık fiziğinde pek çok keşfe neden olmuştur. Temelde aşırı doymuş alkol buharı içeren kapalı bir ortamdır; bu yüzden benzer gereçler gibi oda adıyla anılır. Odadan içeri giren yüklü parçacıklar, izledikleri yol boyunca enerji bırakarak alkol buharını yoğunlaştırır ve bulut gibi izler bırakır. Bu parçacıklar (müonlar, elektronlar ve helyum çekirdekleri) odanın içinden geçtiğinde, alkol moleküllerini iyonlaştırır. İyonlaşan bu moleküller odanın merkezinde sıvı alkolden oluşmuş çizgiler gibi görünürler (İyonlaşmış bu moleküller ara fazdaki alkole tutunurlar ve parçacıkların izleri gözlemlenir). Her bir parçacık farklı izler bırakır. Oluşan izlerin fotoğrafları çekilerek daha sonra incelemek üzere kaydedilir. Eğer parçacık demetinin odaya giriş yönüne dik olarak bir manyetik alan uygulanırsa, ortaya çıkan Lorentz kuvveti, parçacıkların yönünün değişmesine neden olur. Bu sayede de yay şeklinde iz bırakan parçacıkların yükü ve momentumu ölçülebilir. Bu algıç sayesinde 1932 yılında pozitron, 1936 yılında müon ve 1947 yılında kaon bulunmuştur. Aynı zamanda bu çalışmalar sayesınde iki Nobel ödülü alınmıştır. Bu ödüllerden kısaca bahsedelim.

Charles T. R. Wilson (1869 - 1959)

Wilson İskoç bir fizikçidir. Nemli bir havada bulut oluşumu ve optik olayları incelemek isterken tesadüfen bir parçacık algıcı icat etmiştir. 1911 yılında ilk Bulut Odası’nı yapmış ve 1927’de Nobel ödülü almıştır. 

Carl Anderson (1905 - 1991)

Anderson ABD'li bir fizikçidir. 1932'de pozitronu ve 1936'da müonu bulut odası kullanarak keşfetmiş ve  1936'da Nobel Ödülü almıştır. Anderson daha duyarlı bir sis bulutu oluşturmak için alkol yerine su kullanmış ve odaya güçlü bir manyetik alan uygulamıştır.

Amacı

Bulut Odası deneyinde kozmik parçacıkların bulut odası adlı algıçta bıraktıkları izleri gözlemlemek ve parçacık algıçları hakkında bilgi sahibi olmak amaçlandı.

Yöntem

Bu projeyi gerçekleştirebilmek için öncelikle bazı malzemelere ve karanlık bir odaya ihtiyacımız var. Deney yapabileceğimiz karanlık odayı okumuzun laboratuarını siyah storlarla kapatarak elde ettikten sonra gerekli malzemeleri temin ettik.

Deneye Başlamadan Önce Önemli Uyarılar!

• Plastik eldiven ve güvenlik gözlüğü takmak zorundayız, unutmayalım.
• Alkolü asla içmemeliyiz ve çocuklardan uzak tutmalıyız!
• Doğru alkol türünü kullanmalıyız. Bu çok önemlidir. Aksi takdirde  bulut odamızda sonuç elde edemeyiz.

Mutlaka deney gözlüğü takalım ve eldiven ullanalım.

Kullanılacak Malzemeler:

• Plastik Kap  (Açık, kutu benzeri plastik kutu- üsttü açık), boyutlar 20 x 30 x 15 cm. Alternatifler: Herhangi bir plastik kutu, plastik bardak, petri kabı.
• Plastik kabın tabanına tutturulacak kalın bir keçe. 5 mm kalınlığında beyaz keçe uygun olur. Alternatifler: Sünger vb.
• Keçeyi kabın içinde ve kabın altına ekleyip sabitlemek için pimleri kullanmalısınız. Alternatifler: Kablo bağları, tel, mıknatıslar.
• Kuru buzun üstüne konulması için şekildeki gibi bir oluklu tepsi iyi olacaktır (iyi ısı iletkenliği önemlidir). Bu tepsi siyah olmalı ve kabın açık tarafını tamamen kapatmak için plastik kabın yan duvarlarıyla eşleşen küçük olukları olmalıdır (hava hacmini izolasyon için).  Örneğin: CNC frezeli oluklu eloksallı alüminyum plaka (d = 5 mm). Alternatifler: Fırın tepsisi, kızartma kabı (tava), kitap tutacağı, bir metal plakanın üzerinde siyah elektrik bandı.
• Katı karbondioksit -78 ° C'de. Güvenlik talimatlarını okuyun! Doğrudan temas etmek yanıklara neden olacaktır! Kuru buz buharlaşırken havaya karbondioksit verecektir. Sadece iyi havalandırılan odalarda kullanılmalıdır. Burada kuru buz miktari sizin kullandığınız kutu büyüklüğüne bağlıdır. Buzu kutuya koyduktan sonra metal tepsi nin ısı iletkenliği için buza değmesi gerektiğini unutmayınız. Hava geçirmez kaplarda kuru buz yüksek basınç oluşturacaktır.
• Metal tepsiden biraz daha büyük bir kutu kuru buz plakalarını ve metal plakayı içerisine yerleştireceğiz.  Kenarlar 5 cm'den daha yüksek olmamalıdır, aksi takdirde görünümü engelleyeceklerdir. (Plastik kutu içinde izole edilmiş köpük ve köpük kauçuk) . Alternatifler: Karton, strafor veya ahşap kutular.
• Çok yoğun, bir araya getirilmiş ışık kaynağı – (LED Fener). Alternatifler: tepegöz, LED şerit.
• Izopropanol ve kuru buz ile çalışabilmek için kişisel koruyucu ekipman giymeniz gerekmektedir.

- Güvenlik gözlükleri  (kuru buz ve izopropanol için)

- Nitril koruma eldivenleri (İzopropanol için)

- Deri koruyucu eldiven (kuru buz için)

• Saf (>% 90) izopropil alkol. Güvenlik talimatlarını okuyun! Çocuklardan uzak tutun. Asla içmeyin, eldiven ve gözlüklerle tutun. Nereden satın alınır: İlaç deposu (örneğin "Alkol İlkyardım Antiseptiği" olarak).

Deney düzeneğinin hazırlanışı

1. Metal taban plakasını hazırlayalım.

Siyah bir metal tepsi alalım, ya da elimizde siyah yoksa herhangi bir metal plakanın bir tarafını tamamen siyah elektrik bandıyla saralım. Siyah renk  "beyaz parçacık izlerini"  görebilmenizi daha kolaylaştıracaktır. Bulut odamızda deney yaparken alkol ile çözülebilen bant veya tutkal kullanmamalıyız.  Alternatif olarak siyah oje veya sprey boya kullanabilirsiniz. Zaten siyah bir metal plakanız varsa bu nokta sizin için önemsiz olacaktır.

2. Alkollü kabın her köşesine yaymak için gerekli düzeneğimizi hazırlayalım.

Öncelikle  plastik kabımızın altına dikkatlice çok küçük delikler açalım. Keçeyi bölme pimleri ile kutunun altına tutturalım. Bu noktada daha sonra keçeyi alkolle iyice ıslatacağımızı ve yağmur benzeri bir alkol sisi üretilmesi sağlayacağımızı öğrencilerimize hatırlatmalıyız.  Bu nedenle keçeyi tutturmak için tutkal kullanmamalıyız, çünkü alkol tutkalı hızlı bir şekilde çözecektir.

3. Bulut odamızı artık hazırlamaya başlayalım. Deri eldiven ve koruyucu gözlük mutlaka kullanalım!

Kutunun altına bol miktarda kuru buz yerleştirelim. Bu işlemlerin ardından bulut odamıza İzopropanol / izopropil alkol ekleyeceğiz.

Keçeyi izopropanol alkol ile ıslatalım. Bu izopropanol alkol daha sonra parçacık izlerini göreceğimiz sis bulutunu oluşturacaktır. İzopropanolü dökeceğimiz kabı eğelim. Bir köşede, küçük bir "izopropanol göl" oluşsun, keçenin tamamen ıslandığından emin olalım. Kalan alkolü daha sonra metal plakanın oluğunu doldurmak için kullanabilirsiniz.

Siyah metal plakayı kuru buzun üzerine yerleştirelim. Keçenin  plastik içerisinde iyice  ıslandığından emin olalım!  Siyah tabaka/tepsi soğuduğunda havadaki su buharı yoğuşur / donar ve birkaç dakika sonra beyaz bir "kar tabakası" oluşturur. Siyah bir yüzeye ihtiyacımız olduğundan, bu durumda tabakayı temizlememiz gerekeblir.

Elimizde kalan izopropanol alkolu metal plakamızın oluğunu doldurmak için kullanmalıyız. Oluktaki alkol, kabımızı oluğa yerleştirdiğimizde kabın metale yapışarak iyice kapanmasını sağlayacak ve dışarıdan hava girmesini engelleyecektir.

Plastik kabımızı metal plakamızın üzerine yukarıdaki şekildeki gibi metal plakadaki oluklara uyacak şekilde  ters yerleştirelim. Şimdi parçacık izlerini görmeye hazırız. Deneyde herşey soğuyana, kararlı ve hassas bir ortam oluşana kadar birkaç dakika beklemeliyiz. Bu aşamada el fenerimizi en dogru konumda tutmalıyız ki gözlem yapabilelim. Doğru konumu birkaç deneme ile kısa sürede bulabiliriz.

Başlangıçta kutunun içinde yağmur benzeri bir görünüm oluşacak, bir süre sonra da buluta benzer oluşumlar ortaya çıkacaktır.

Oda ışıklarını kapatalım ve ışık kaynağımızı açarak doğru konuma getirelim. Birkaç dakika sonra, oda içerisinden geçmekte olan yüksek enerjili parçacıkların izlerini görmeye başlay

10 dakika kadar bekledikten sonra öğrenciler kutu içerisinde oluşan bulutu ve kozmik parçacıkların bıraktıkları izleri daha net görmeye başlayacaklardır. Bir süre sonra ışıkları açalım ve öğrencilere ile neler gördüklerini sorup bir tartışma ortamı oluşturalım. Bir süre sonra ışıklar tekrar kapatalım ve bir süre daha (5 dakika) dikkatli bakmaları isteyelim. Sonrasında tekrar ışıkları açarak görülen izlerin hangi parçacıklara ait olabileceği ve bulut odasının çalışma prensipleri üzerinde öğrencilerimizle tartışalım.

 

Sonuç ve Tartışma

Deney sırasında ve  deney bittikten sonra da görülen izler ve hangi parçacıkları temsil ettikleri üzerine tartışılabilir.

Bulut odasında görülen izler aşağıdaki resimde olduğu gibi kısa ve kalın ise bunlar kozmik parçacıklar değildirler. Atmosferden gelen radon gazından yayılan alfa parçacıklarıdır. Çok düşük enerjili oldukları için çok kısa izler bırakırlar.

Uzun ve düz çizgiler kozmik müonlarin bıraktığı izlerdir. Ağır parçacıklar oldugundan temiz ve uzun izler bırakırlar.

Eğer izler zig-zag seklinde ise bu izler elektron ya da pozitrona ait izlerdir.

Elektron, müon ve alfa parçacıklarını yukarıdaki gibi çizimler ile öğrencilerimize anlatabiliriz.

Fizik olayı: Çatallanmış şekilde görülen izler ise parçacıkların bozunumunu temsil eder. Parçacıkların çoğu kararsızdır ve daha kararlı duruma geçmek için bozunurlar.

Müonlar İle İlgili Ek Bilgiler

Bulut odasında gördüğünüz parçacık izlerinin çoğunluğuna müonlar neden olur. Müonlar elektronlara çok benzeyen özelliklere sahiptirler, ancak elektrondan 200 kat daha fazla kütleleri vardır. Müonlar bu nedenle kararlı değildirler, ve ortalama 2.2 μs'lik kısa bir ömürleri vardır. Müon bozunması ile her zaman en az üç parçacık üretilir.

Müonlar bozunduklarında:

1. Kendileri ile eş yüke sahip bir elektrona

2. Bir elektron nötrinosuna

3. Bir de müon nötrünosuna dönüşürler.

Ortalama olarak her saniye avucumuzun içinden 1 GeV ile 1 TeV arası enerjiye sahip bir adet müon geçer.

Sonuç

Bulut odası deneyi ile yüklü parçacıkların bıraktıkları izler görünür hale gelmektedir. Bu deney radyasyondan kaynaklanan parçacıkların gözlemlenmesini ve öğrencilerin temel bilgilerinin artırılmasını sağlar. Öğrencilerin ilgi ve meraklarında önemli bir artış ve farkındalık yaratır. Atomaltı parçacıkların varlığının ispat edilmesine olanak sağlayan bu deney öğrencilerin deney yaparak normalde göremedikleri parçacık izlerini görmesini sağlamakta bilimsel çalışmaların oluşum basamakları hakkında bilgi sahibi olmalarını sağlamaktadır.

Kaynaklar

1. Bulut Odası El Kitabı https://drive.google.com/file/d/0B24dAyfRdKrjYU40bE4xUEM3WVE/view?usp=sharing
2. Cloud Chamber – Do–it–yourself manual https://scool.web.cern.ch/sites/scool.web.cern.ch/files/documents/SCoolLAB_CloudChamber_DIYManual_2017_v3.pdf
3. Meraklısına Parçacık ve Hızlandırıcı Fiziği https://indico.cern.ch/event/308126/attachments/588109/809376/ana.pdf

Ekip Tanıtımı

Öğrenciler

Deren Morkan

Esra Dişli

İrem Aylin Yüksel

Öykü Emre

Mert Şenel

Tuğçe Nur Bayrak

Aylin Karaoğlu

Görkem Solun

Aysima Uludağ

Batuhan Alpaslan

Ceren Adıyaman

Damla Kilerci

Danışman Fizik Öğretmeni

Ayşenur Özdemir