Ηλεκτροσκόπιο: ο πρώτος ανιχνευτής κοσμικών ακτίνων

Posted on 31/07/2016

2


… και ραδιενέργειας

Το ηλεκτροσκόπιο είναι ένα από τα απλούστερα όργανα πειραματικής φυσικής. Χρησιμοποιείται για την ανίχνευση του ηλεκτρικού φορτίου και τη μελέτη της ηλέκτρισης.

Ένα είδος ηλεκτροσκοπίου που βρίσκεται στα γυμνασιακά σχολικά εργαστήρια είναι αυτό με τα κινητά φύλλα:

ηλεκτροσκόπιο

Το ηλεκτροσκόπιο του σχήματος αποτελείται από ένα σταθερό μεταλλικό δίσκο (1), από ένα μεταλλικό στέλεχος (2) και από ένα ή δύο κινητά ελαφρά μεταλλικά ελάσματα (3). Όταν φέρουμε σε επαφή το δίσκο με φορτισμένο σώμα, τότε το ηλεκτροσκόπιο αποκτά φορτίο ίδιου είδους με το φορτίο του σώματος. Το φορτίο αυτό διαχέεται σε όλη την έκταση του μεταλλικού στελέχους του ηλεκτροσκοπίου και στα μεταλλικά φύλλα του. [εικόνα από το βιβλίο Φυσικής Γ’ Γυμνασίου]

Αυτό λοιπόν το απλό όργανο φυσικής, που μπορεί κανείς εύκολα να κατασκευάσει μόνος του με απλά υλικά στο σπίτι του, χρησιμοποιήθηκε ως ανιχνευτής ακτινοβολίας, όταν ανακαλύφθηκε η ραδιενέργεια και χρησιμοποιήθηκε από τους φυσικούς στην έρευνα σχετικά με τις κοσμικές ακτίνες στις αρχές του εικοστού αιώνα.

Η εκφόρτιση των ηλεκτροσκοπίων

Ένα φαινόμενο που είχε παρατηρηθεί από τους φυσικούς του 18ου αιώνα ήταν η αυθόρμητη εκφόρτιση των ηλεκτροσκοπίων, παρά την ενίσχυση της μόνωσής τους. Το 1785, ο Γάλλος φυσικός Charles Augustin de Coulomb δημοσίευσε τρεις αναφορές για τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό στην Βασιλική Ακαδημία Επιστημών της Γαλλίας. Στην τρίτη δημοσίευση περιγράφεται ένα πείραμα στην οποία η αυθόρμητη εκφόρτιση ενός ηλεκτροσκοπίου στρέψης αποδίδεται στη δράση του περιβάλλοντος (αέρα) και όχι εξαιτίας της ελλιπούς μόνωσης (Mémoires sur l’électricité et la magnétisme)

The torsion balance electrometer Coulomb used to make his observations (Image: Wikimedia commons)

Το ηλεκτροσκόπιο στρέψης που χρησιμοποίησε ο Coulomb για να κάνει τις παρατηρήσεις του (Image: Wikimedia commons)

Το 1850, ο Ιταλός φυσικός Cano Matteucci και αργότερα το 1879 Βρετανός φυσικός William Crookes έδειξαν ότι ο ρυθμός της αυθόρμητης εκφόρτισης μειώνεται σε χαμηλότερες ατμοσφαιρικές πιέσεις.

Σήμερα γνωρίζουμε ότι αέρας είναι πάντα ιονισμένος (τυπική τιμή 6·106 ζεύγη ανά m3). Αυτό συμβαίνει διότι η ύλη ιονίζεται από διερχόμενα σωματίδια διαφόρων ενεργειών. Τα σωματίδια αυτά χάνουν την ενέργειά τους μέσα στο υλικό, προκαλώντας ιονισμούς και διεγέρσεις στα άτομα του υλικού.

Η αναζήτηση για μια ερμηνεία του φαινομένου της αυθόρμητης εκφόρτισης των ηλεκτροσκοπίων οδήγησε στην ανακάλυψη των κοσμικών ακτίνων.

Ηλεκτροσκόπιο, ραδιενέργεια και κοσμικές ακτίνες

O Γάλλος φυσικός Henri Becquerel ανακάλυψε την ραδιενέργεια στις 26 Φεβρουαρίου 1896, όταν παρατήρησε ότι το φθορίζον διπλό άλας του ουρανίου, το θειικό ουρανιοκάλιο, εξέπεμπε μια ακτινοβολία που ο ίδιος αρχικά πίστευε πως ήταν ακτίνες Χ (είχαν ανακαλυφθεί πριν ένα χρόνο από τον Röntgen). Τα άλατα ουρανίου προκαλούσαν το μαύρισμα μιας φωτογραφικής πλάκας τυλιγμένης με μαύρο χαρτί. Ο Becquerel συμπέρανε ότι μια αόρατη ακτινοβολία περνούσε μέσα από το χαρτί και αλληλεπιδρούσε με την φωτογραφική πλάκα όπως όταν αυτή εκτίθεται σε φως.
Στη συνέχεια η Marie Curie άρχισε να μελετά την νέα ακτινοβολία χρησιμοποιώντας ένα ευαίσθητο ηλεκτροσκόπιο που είχε κατασκευάσει ο σύζυγός της Pierre, αποσκοπώντας την μέτρηση της αγωγιμότητας του αέρα που προκαλούσε η ακτινοβολία.

Έτσι, η αυθόρμητη εκφόρτιση των ηλεκτροσκοπίων που είχε παρατηρηθεί πριν από έναν αιώνα και πλέον, συνδέθηκε με την νέα ακτινοβολία, την ραδιενέργεια. Η πιο απλή υπόθεση ήταν ότι η ραδιενέργεια προέρχονταν από πετρώματα της Γης, αν και αυτό ήταν δύσκολο να αποδειχθεί.

The first evidence for radioactivity – images formed by Becquerel’s uranium salts (Image: Wikimedia Commons)

Η πρώτη απόδειξη για την ύπαρξη της ραδιενέργειας  – το μαύρισμα της φωτογραφικής πλάκας του Becquerel από τα άλατα του ουρανίου  (Image: Wikimedia Commons)

Ψάχνοντας λοιπόν για τη φυσική ραδιενέργεια τελικά ανακάλυψαν τις κοσμικές ακτίνες.

Ακτινοβολία από την ατμόσφαιρα, τη Γη ή το διάστημα;

Οι Julius Elster και Hans Geitel το 1899 διαπίστωσαν ότι καλύπτοντας το ευαίσθητο ηλεκτροσκόπιο τους με ένα παχύ μέταλλο, τότε ο ρυθμός της αυθόρμητης εκφόρτισής του μειωνόταν. Συμπέραναν λοιπόν ότι η αιτία της εκφόρτισης οφειλόταν σε ιονίζουσα ακτινοβολία εκτός του ηλεκτροσκοπίου.

Παρόμοια πειράματα έκανε και ο Charles Thomson Rees Wilson στο Κέμπριτζ καταλήγοντας στο ίδιο συμπέρασμα. Για να ελέγξει αν η ιονίζουσα ακτινοβολία προέρχεται ή όχι από το εξώτερο διάστημα έκανε μετρήσεις φυσικής ραδιενέργειας με ηλεκτροσκόπιο σε ένα παλιό σιδηροδρομικό τούνελ στην Σκωτία. Δεν παρατήρησε ουσιαστική διαφορά και έτσι απέρριψε την θεωρία περί εξωγήινης προέλευσης.

Το 1909 ο Theodor Wulf κατασκεύασε ένα πολύ ευαίσθητο και εύκολα μεταφερόμενο ηλεκτροσκόπιο:

Το ηλεκτροσκόπιο που χρησιμοποίησε ο Wulf (Image: Wikimedia Commons)

Το ηλεκτροσκόπιο που χρησιμοποίησε στα πειράματά του ο Theodor Wulf (Image: Wikimedia Commons)

Μέτρησε με αυτό τον ιονισμό του αέρα σε διάφορες τοποθεσίες στη Γερμανία, Ολλανδία και Βέλγιο καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι η διεισδυτική ακτινοβολία οφείλεται στις ραδιενεργές ουσίες που περιέχονται στα ανώτερα στρώματα του φλοιού της Γης. Στη συνέχεια άρχισε τις μετρήσεις μεταβολών της ραδιενέργειας σε συνάρτηση με το υψόμετρο. Αν η ραδιενέργεια προέρχονταν από τη Γη, τότε θα έπρεπε να μειώνεται με το υψόμετρο. Ο Wulf ανέβασε το ηλεκτροσκόπιό του στον πύργο του Άιφελ, χωρίς όμως να καταλήξει σε σαφή αποτελέσματα.

Έτσι η αναζήτηση της κύριας πηγής της μυστηριώδους ιονίζουσας ακτινοβολίας που εκφορτίζει τα ηλεκτροσκόπια, θα συνεχιστεί. Και στο παιχνίδι θα μπουν τα αερόστατα.

Ο Albert Gockel το 1910 καταγράφηκε στους πρωτοπόρους ερευνητές που χρησιμοποίησε αερόστατο για μετρήσεις ακτινοβολίας σε υψόμετρο 3000 μέτρων. Κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο ιονισμός δεν μειώνεται με το ύψος, συνεπώς δεν μπορεί να έχει καθαρά επίγεια προέλευση. Ήταν ο πρώτος που εισήγαγε τον όρο «κοσμική ακτινοβολία» (kosmische Strahlung). Αργότερα κάνοντας υπολογισμούς μαζί με τον Schrödinger, απέδειξαν ότι μέρος της ραδιενέργειας προέρχονταν από το διάστημα και το υπόλοιπο από τον φλοιό της Γης.

Το 1911 ο Ιταλός φυσικός Domenico Pacini έκανε μετρήσεις με ηλεκτροσκόπιο σε διάφορα μέρη, κάνοντας ακόμα και υποβρύχιες μετρήσεις 3 μέτρα κάτω από το νερό. Κατέληξε ότι η κύρια πηγή της ιονίζουσας  ακτινοβολίας προέρχονταν από την ατμόσφαιρα. Την ίδια χρονιά ο Charles Thomson Rees Wilson ανακάλυψε τον θάλαμο νεφών, που αργότερα έπαιξε σημαντικό ρόλο στην μελέτη των κοσμικών ακτίνων (διαβάστε: Πώς κατασκευάζουμε έναν θάλαμο νεφών μέσα σε 10 λεπτά) .

Την ίδια εποχή ο αυστριακός φυσικός Victor Hess πραγματοποίησε πειράματα με ηλεκτροσκόπιο χρησιμοποιώντας αερόστατο. Σε μετρήσεις που έκανε το 1911 σε υψόμετρο 1100 μέτρων δεν παρατήρησε καμία ουσιαστική αλλαγή στην ποσότητα της ακτινοβολίας σε σχέση με το έδαφος.

Στις 7 Αυγούστου του 1912, ο Hess έκανε μετρήσεις σε ύψος 5300 μέτρων, κατά την διάρκεια μιας σχεδόν ολικής έκλειψης του ηλίου. Επειδή ο ιονισμός της ατμόσφαιρας δεν μειώθηκε κατά τη διάρκεια της έκλειψης, υποστήριξε ότι η πηγή της ακτινοβολίας δεν ήταν ο ήλιος, αλλά το απώτερο διάστημα. Ψηλά στην ατμόσφαιρα της Γης ο Hess είχε ανακαλύψει μια φυσική πηγή σωματιδίων υψηλής ενέργειας: τις κοσμικές ακτίνες. Και γι αυτό βραβεύθηκε με το νόμπελ φυσικής το 1936.

Hess back from his balloon flight on 7 August 1912 (Image: Wikimedia Commons)

To αερόστατο του Hess επιστρέφει από την πτήση της 7ης Αυγούστου του 1912 (Image: Wikimedia Commons)

Τα αποτελέσματα του Hess επιβεβαίωσε ο γερμανός φυσικός Werner Kolhörster το 1914 με μετρήσεις από αερόστατο. Η ένταση της ακτινοβολίας ήταν σταθερή και δεν επηρεάζονταν από τις καιρικές συνθήκες ούτε από το αν γίνονταν την ημέρα ή τη νύχτα. Φθάνοντας μάλιστα σε ύψος 9300 μέτρων διαπίστωσε ότι η ακτινοβολία ήταν εννιά φορές μεγαλύτερη από αυτή του εδάφους. Η τελευταία πτήση του Kolhörster με το αερόστατο έγινε στις στις 28 Ιουνίου του 1914 την ημέρα που δολοφονήθηκε ο Franz Ferdinand και ξεκίνησε ο Πρώτος Παγκόσμιος Πόλεμος.

Οι έρευνες συνεχίστηκαν στην δεκαετία του 1920 μετά τον πόλεμο. Μετρήσεις πραγματοποίησε και ο Robert Millikan το 1928, ο οποίος θεωρούσε λανθασμένα ότι οι κοσμική ακτινοβολία ήταν ηλεκτρομαγνητικής φύσης. Οι Hans Geiger και Walter Müller με την κατασκευή του απαριθμητή τους, έδωσαν ώθηση στην ανάπτυξη όλο και πιο βελτιωμένων ανιχνευτών ακτινοβολίας και η έρευνα σχετικά με τις κοσμικές ακτίνες απογειώθηκε.

Το ηλεκτροσκόπιο είχε πλέον ολοκληρώσει τον ρόλο του στην ανίχνευση της ραδιενέργειας και την ανακάλυψη των κοσμικών ακτίνων, για να αποσυρθεί στα σχολικά εργαστήρια (τουλάχιστον στην απλή μορφή του).

Τι είναι τελικά οι κοσμικές ακτίνες;

Σήμερα γνωρίζουμε ότι οι κοσμικές ακτίνες είναι στοιχειώδη σωματίδια, πυρήνες και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εξωγήινης προέλευσης. Στο ενεργειακό εύρος  των 1012-1015 eV (ηλεκτρονιοβόλτ) , οι κοσμικές ακτίνες που φτάνουν στην ατμόσφαιρα της Γης συνίστανται από:
~50% πρωτόνια
~25% σωματίδια άλφα
~13% πυρήνες C/N/O
<1% ηλεκτρόνια
<0.1% ακτίνες γάμα

Γραφική παράσταση της ροής των κοσμικών ακτίνων συναρτήσει της ενέργειας. Το τελευταίο σημείο κάτω δεξιά παριστάνει το σωματίδιο «Ω! Θεέ μου».

Γραφική παράσταση της ροής των κοσμικών ακτίνων συναρτήσει της ενέργειας. Το τελευταίο σημείο κάτω δεξιά παριστάνει το σωματίδιο «Ω! Θεέ μου».

πηγές: CERN timelines – www.cosmic-ray.org