Megmutatni a nehezen láthatót – Két Nobel-díjas kísérlet demonstrációs célú megvalósítása
A fizika oktatásában és népszerűsítésében alapvető szerepet játszanak a demonstrációs kísérletek, azonban a legtöbb látványos kísérlet a klasszikus fizika témaköreihez kapcsolódik. TDK dolgozatomban olyan kísérleti eszközök fejlesztését mutatom be, melyek a XX. századi modern fizika két fontos kísérleti vívmányát mutatják be demonstrációs céllal.
A Wilson-féle ködkamrát C. T. R. Wilson skót fizikus találta fel 1911-ben, melyért 1927-ben Arthur Comptonnal megosztva fizikai Nobel-díjban részesült. Az eredeti ködkamrát később számos továbbfejlesztett detektor követte (diffúziós ködkamra, buborékkamra, stb.), melyek nagyban hozzájárultak a mag-és részecskefizika fejlődéséhez, és egyben először tették lehetővé ionizáló sugárzások vizuális megjelenítését.
A pásztázó alagútmikroszkópot (STM) 1981-ben fejlesztette ki Gerd Binnig és Heinrich Rohrer, amiért fizikai Nobel-díjat kaptak 1986-ban. Ez az alagúthatáson alapuló mikroszkóptípus ma széles körben használt felületanalitikai mérőeszköz. Ugyan a XX. század elején már számos kísérlet bizonyította, hogy az anyag atomokból épül fel, az anyag atomi felbontású mikroszkopikus feltérképezése először az alagútmikroszkóp segítségével vált lehetővé.
TDK munkám során ezen két kísérleti eszköz egyszerűsített, demonstrációs célú változatát valósítottam meg.
Megterveztem és kiviteleztem egy folyamatos üzemű, diffúziós ködkamrát, annak minden részegységével és vezérlésével együtt. A ködkamrában lévő túlhűtött gőz létrehozásához félvezető Peltier-elemeket alkalmaztam. A Peltier-elemek optimális üzemeltetése érdekében elsőként megadtam egy egyszerű modellt a vezérlésre, majd MATLAB környezetben létrehoztam egy egyszerűsített hőtani szimulációt a két termikusan sorba kapcsolt Peltier-elem viselkedésének modellezésére. Ezután a valós eszközön történő méréseimmel igazoltam a szimulációs eredményeim helyességét. A ködkamra a hűtésén kívül még számos egyéb részegységgel bír, melyek speciális áramköröket igényelnek. A dolgozatomban részletesen leírom ezen egységek működését, tervezését és kivitelezését is. A ködkamra vezérléséhez és a mérések elvégzéséhez továbbá készítettem C# környezetben egy vezérlő és kiértékelő szoftvert is. Végezetül demonstrációs kísérleteket végeztem el az elkészített ködkamrával. Elemeztem a megjelenő ionizáló részecskék nyomvonalait, vizsgáltam az anyagban történő elnyelődésüket, illetve demonstráltam a töltéssel rendelkező részecskék mágneses térrel való eltérítését is.
Ezen kívül munkám során megterveztem és kiviteleztem egy komplett, demonstrációs célú pásztázó alagútmikroszkópot. Az eszköz stabilitását egy kis tömegű, saját készítésű rezgésmentesítő állvány biztosítja. A berendezést vezérlő elektronika egyes részei, valamint az áramerősítő áramkör kivitelezése szintén az elvégzett munkám része. A alagútmikroszkópot egy USB csatlakozású digitális mikroszkóppal szereltem fel, mely elősegíti a közelítési folyamat felgyorsítását és szemléltetését. A kész műszeren stabilitási és egyéb képalkotással kapcsolatos méréseket végeztem, illetve a műszer működését különböző struktúrájú minták segítségével demonstráltam.
Mindkét műszer fejlesztésénél külön figyelmet szenteltem arra, hogy azok könnyen bemutathatók legyenek nyílt napokon és egyéb kísérleti bemutatókon.
szerző
-
Sánta Botond
Fizikus mesterképzési szak (MSc)
mesterképzés (MA/MSc)
konzulens
-
Dr. Halbritter András
tanszékvezető, egyetemi tanár, Fizika Tanszék