Aharonov–Bohmov efekt, koji se ponekad naziva i Ehrenberg–Siday–Aharonov–Bohmov efekt, kvantno je mehanički fenomen u kojem na električki nabijenu česticu djeluje elektromagnetski potencijal (φ, A), unatoč tome što je ograničen na područje u kojem oba magnetsko polje B i električno polje E su nula. Temeljni mehanizam je spajanje elektromagnetskog potencijala s kompleksnom fazom valne funkcije nabijene čestice, a Aharonov–Bohmov učinak je u skladu s tim ilustriran eksperimentima interferencije.
Najčešće opisani slučaj, koji se ponekad naziva Aharonov–Bohmov solenoidni učinak, događa se kada valna funkcija nabijene čestice koja prolazi oko dugog solenoida doživi fazni pomak kao rezultat zatvorenog magnetskog polja, unatoč tome što je magnetsko polje zanemarivo u područje kroz koje čestica prolazi i valna funkcija čestice zanemariva je unutar solenoida. Ovaj fazni pomak promatran je eksperimentalno. Također postoje magnetski Aharonov-Bohmovi učinci na vezane energije i presjeke raspršenja, ali ti slučajevi nisu eksperimentalno ispitani. Predviđen je i električni Aharonov–Bohmov fenomen, u kojem na nabijenu česticu utječu područja s različitim električnim potencijalima ali nultim električnim poljem, ali to još nema eksperimentalnu potvrdu. Odvojeni “molekularni” Aharonov-Bohmov učinak predložen je za nuklearno gibanje u višestruko povezanim regijama, ali se tvrdi da je to drugačija vrsta geometrijske faze jer nije “ni nelokalna ni topološka”, ovisno samo o lokalnim količinama duž jezgre.
Werner Ehrenberg (1901. – 1975.) i Raymond E. Siday prvi su predvidjeli učinak 1949. Yakir Aharonov i David Bohm objavili su svoju analizu 1959. Nakon objavljivanja rada iz 1959., Bohm je obaviješten o radu Ehrenberga i Sidaya, koji je bio priznat i pripisano u sljedećem radu Bohma i Aharonova iz 1961. Učinak je potvrđen eksperimentalno, s vrlo velikom pogreškom, dok je Bohm još bio živ. U trenutku kad je pogreška pala na respektabilnu vrijednost, Bohm je umro.
Površinski objekat za eksperiment IceCube, koji se nalazi ispod 1,6 kilometara leda na Antarktiku. IceCube sugeriše da duh neutrini ne postoje, ali novi eksperiment pokazuje suprotno.
Kredit: IceCube Neutrino opservatorije
Naučnici su proizveli čvrste dokaze o takozvanim sterilnim neutrinama, misterioznim česticama koje prolaze kroz materiju, bez interakcije sa njom.
Prvi nagovještaji ovih čestica pojavili su se prije nekoliko decenija. Ali nakon godina posvećenih pretraživanju, naučnici nisu mogli pronaći nijedan drugi dokaz za njih, uz mnoge eksperimente koji su u suprotnosti sa tim starim rezultatima. Ovi novi rezultati sada ostavljaju naučnike sa dva robustna eksperimenta koji pokazuju postojanje sterilnog neutrina, iako drugi eksperimenti i dalje ukazuju na to da sterilni neutrini uopšte ne postoje.
To znači da se u Univerzumu nešto čudno dešava što čini najsavremenije fizičke eksperimente čovječanstva u suprotnosti jedne s drugima.
Sterilni neutrini
Sredinom devedesetih godina, detektor neutrino tečnog scintilatora (LSND), eksperiment u Nacionalnoj laboratoriji Los Alamos u Novom Meksiku, otkrio je misterioznu novu česticu: “sterilni neutrino” koji prolazi kroz materiju bez interakcije sa njom. Ali taj rezultat se ne može replicirati; drugi eksperimenti jednostavno nisu mogli pronaći nikakav trag skrivene čestice. Tako je rezultat bio zanemaren.
Sada, MiniBooNE – eksperiment u Fermi National Accelerator Laboratoriji (Fermilab), koji se nalazi blizu Čikaga – ponovo je pokupio miris skrivenih čestica. Novi papir objavljen na serveru preprinta arXiv nudi toliko dovoljno pouzdane dokaze o nedostajućem neutrinu da su fizičari digli alarm u vezi toga.
Ako novi rezultati MiniBooNE-a budu ispravni, “To bi bilo ogromno, to je van standardnog modela, što bi zahtjevalo nove čestice … i potpuno novi analitički okvir”, rekla je Kate Scholberg, fizičarka čestica na Duke Univerzitetu koja nije bio uključena u eksperiment.
Standardni model fizike dominirao je naučnicima da shvataju Univerzum više od pola vijeka. To je lista čestica koja, zajedno, idu dug put ka objašnjenju kako materija i energija interaguju u kosmosu. Neke od ovih čestica, poput kvarkova i elektrona, prilično se mogu zamisliti: oni su građevinski elementi atoma koji čine sve što ćemo ikada dodirivati rukama. Drugi, poput tri poznata neutrina, su apstraktniji: oni su visoko-energetske čestice koje protiču kroz univerzum, jedva su u interakciji sa drugom materijom. Milijarde neutrina sa Sunca prolaze kroz nas svake sekunde, ali uglavnom nemaju nikakav uticaj na čestice napeg tijela.
Elektronski, muonski i tau neutrini – tri poznata “ukusa” – međutim, međusobno djeluju sa materijom, iako kroz slabu silu (jednu od četiri osnovne sile Univerzuma) i gravitaciju. (Njihovi antimaterijski blizanci ponekad imaju veze i sa materijom.) To znači da ih specijalizovani detektori mogu naći, izlazeći iz Sunca, kao i iz određenih ljudskih izvora, kao što su nuklearne reakcije. Ali eksperiment LSND-a, Scholberg je rekao za Live Science, pružio je prvi čvrst dokaz da ono što ljudi mogu otkriti možda nije puna slika.
Kako talasi neutrina prolaze kroz prostor, periodično “osciliraju”, skakaju napred i nazad između jednog ukusa i drugog, objasnila je ona. I LSND i MiniBooNE uključuju pucanje greda neutrina kod detektora skrivenog iza izolatora kako bi se blokiralo sve drugo zračenje. (U LSND, izolator je bio voda, u MiniBooNE-u, to je dno ulja.) I pažljivo procjenjuju koliko neutrina svake vrste napada detektor.
Oba eksperimenta su sada prijavila više detekcija neutrina nego što opisuje standardni model oscilacije neutrina koji su opisali autori u radu. To sugeriše, napisali su, da neutrini osciliraju u skrivene, teže, “sterilne” neutrine koje detektor ne može direktno detektovati prije osciliranja nazad u detektabilnu oblast. Rezultati MiniBooNE-a su imali standardnu devijaciju mjerenu na 4,8 sigma, samo su sjajni od fizičkih pragova 5,0. (Rezultat 5-sigma ima 1-u-3,5 miliona šanse da je rezultat slučajnih fluktuacija u podacima.) Istraživači su napisali da MiniBooNE i LSND zajedno predstavljaju rezultat od 6,1 sigma (što znači vjerojatnost od jedan u 500 miliona mada su neki istraživači izrazili skeptičan stav o toj tvrdnji.
Ako su LSND i MiniBooNE bili jedini eksperimenti sa neutrinima na Zemlji, Scholberg je rekao, to bi bio kraj toga. Standardni model bi se ažurirao da uključi neku vrstu sterilnog neutrina.
Ali postoji problem. Drugi glavni neutrino eksperimenti, poput podzemnog projekta Oscilacija sa eksperimentom za praćenje emulzije u Švajcarskoj, nisu našli anomaliju koju su sada vidjeli i LSND i MiniBooNE.
Još nedavno, 2017. godine, nakon što Opservatorij IceCube Neutrino na Antarktiku nije uspio da prikaže dokaze o sterilnim neutrinama, istraživači su uložili slučaj na Live Science da je još jedan prijavljeni signal čestica – nedostajućih antineutrina oko nuklearnih reaktora – bila greška i zapravo je rezultat loših proračuna.
Sterilni neutrini nisu bili odbačena ideja, rekao je Šolberg, ali nisu prihvatili nauku.
Rezultat MiniBooNE-a komplikuje sliku čestica.
“Postoje ljudi koji sumnjaju u rezultat”, rekla je ona, “ali nema razloga da mislite da nešto nije u redu [sa samim eksperimentom].”
Moguća je, rekla je ona, da se anomalija u eksperimentima LSND i MiniBooNE može ispostaviti kao “sistematična”, što znači da postoji nečije pitanje o tome kako neutrini interaguju sa eksperimentalnim postavkama koje naučnici još uvijek ne razumiju. Ali, takođe je sve više i više moguće da će naučnici morati objasniti zašto mnogi drugi eksperimenti ne otkrivaju vrlo stvarne sterilne neutrine koji se pojavljuju u laboratorijama Fermilab i Los Alamos Lab. Ako je to slučaj, moraće da revidiraju svoje cijelo razumjevanje Svemira u tom procesu.
Naučna metoda je proces eksperimentisanja koji se koristi za istraživanje posmatranja i odgovaranje na pitanja. Da li to znači da svi naučnici prate upravo taj proces? Neke oblasti nauke mogu se lakše testirati od drugih. Na primjer, naučnici koji proučavaju kako se zvijezde mijenjaju kada stare ili kako su dinosaurusi rasipali hranu ne mogu brzo ponoviti život zvijezda za milion godina ili pokrenuti medicinske ispite na hranjenju dinosaurusa kako bi testirali svoje hipoteze. Kada direktno eksperimentisanje nije moguće, naučnici izmjenjuju naučni metod. Zapravo, vjerovatno postoji toliko verzija naučnog metoda koliko i naučnika! Ali čak i kada je izmijenjen, cilj ostaje isti: otkrivanje uzročnih i efektnih odnosa postavljajući pitanja, pažljivo prikupljanje i ispitivanje dokaza, i vidjeti da li se sve raspoložive informacije mogu kombinirati u logičan odgovor.
Iako pokazujemo naučni metod kao niz koraka, imajte na umu da nove informacije ili razmišljanje mogu dovesti do toga da naučnik podržava i ponovi korake u bilo kojoj fazi tokom procesa. Proces poput naučnog metoda koji podrazumijeva takvu podršku i ponavljanje se zove ierativni proces.
Bez obzira da li radite projekat naučnog sajma, naučnu aktivnost u učionici, nezavisno istraživanje ili bilo koji drugi praktični naučni ispit koji će koristiti korake naučne metode, pomaže vam da fokusirate svoje naučno pitanje i da radite kroz vaša zapažanja i podatke kako biste odgovorili na pitanje što je bolje moguće.
Koraci naučnog metoda
Postavite pitanje: Naučni metod počinje kada postavite pitanje o nečemu što primetite: kako, šta, kada, ko, ko, zašto ili gde? Za projekat naučnog sajma neki nastavnici zahtevaju da pitanje bude nešto što možete da izmerite, po mogućnosti sa brojem.
Pozadinsko istraživanje:
Umjesto da počnete od nule u sastavljanju plana za odgovaranje na vaše pitanje, želite da budete naučnik koji koristi biblioteku i Internet istraživanja kako bi si pomogli da nađete najbolji način za rad i osigurate da ne ponavljate greške iz prošlosti.
Postavite hipotezu:
Hipoteza je smislena pretpostavka o tome kako stvari rade. To je pokušaj da odgovorite na vaše pitanje uz objašnjenje koje se može testirati. Dobra hipoteza vam omogućava da onda napravite predviđanje: “Ako _____ [uradim ovo] _____, onda _____ [ovo] _____ će se desiti.” Navedite i vašu hipotezu i rezultirajuće predviđanje koje ćete testirati. Predviđanja moraju biti lako mjerljiva.
Testirajte svoju hipotezu izvođenjem eksperimenta:
Vaš eksperiment testira da li je vaše predviđanje tačno i na taj način vaša hipoteza će biti potvrđena ili opovrgnuta. Važno je da vaš eksperiment bude fer test. Pravite test tako što ćete osigurati da mijenjate samo jedan faktor istovremeno, dok drugi uslovi ostaju isti. Takođe trebate ponoviti vaš eksperiment nekoliko puta kako biste bili sigurni da prvi rezultati nisu samo nesreća.
Analizirajte svoje podatke i izvedite zaključak:
Kada se eksperiment završi, sakupljate mjerenja i analizirajte ih da biste vidjeli da li podržavaju vašu hipotezu ili ne. Naučnici često otkrivaju da njihova predviđanja nisu tačna i da njihova hipoteza nije podržana, i u takvim slučajevima će komunicirati rezultate svog eksperimenta, a zatim se vratiti i izgraditi novu hipotezu i predviđanje na osnovu informacija koje su naučili tokom njihovog eksperimenta. Ovako ponovo počinju većina procesa naučnog metoda. Čak i ako otkriju da je njihova hipoteza podržana, možda će ju željeti ponovo testirati.
Predstavite vaše rezultate:
Da biste završili projekat naučnog sajma, vi ćete svoje rezultate prenijeti drugima u završnom izveštaju i / ili pločici za prikazivanje. Stručni naučnici rade skoro istu stvar objavljivanjem svog završnog izveštaja u naučnom časopisu ili prezentacijom svojih rezultata na plakatu ili tokom razgovora na naučnom sastanku. Na sajmu nauke sudije su zainteresovane za vaše nalaze, bez obzira na to da li podržavaju vašu prvobitnu hipotezu.
Tokom procesa održavanja vašeg sajamskog projekta, trebalo bi da vodite bilješke o svim vašim važnim idejama i informacijama. Ove bilješke se zovu laboratorijski bilješke.
“Želim govoriti o našem pogledu na Svemir i kako je Hubble bio katalist u transformaciji toga. Imamo mapu svemira od prije 400 godina koja je lijepa, ali nije toliko dobar opis:
Isto tako vidimo Kopernikanski pogled. Prije samo 400 godina naš pogled na Svemir je bio jako misteriozan. Prije samo 100 godina smo saznali da je naš Solarni sistem jedan od jako mnogo drugih. Prije samo 50 godina smo shvatili da Crne rupe kao posljedica Einsteinove opšte teorije su zapravo stvarne. Prije samo 20 godina smo shvatili da planete koje kruže oko zvijezda sličnih našem suncu su zapravo pravilo, a ne izuzetak u Svemiru. Najveći doprinos u zadnje vrijeme je dao Hubble teleskop koji je lansiran 24. aprila 1990. godine. Ovaj teleskop je koštao između 10 i 20 milijardi dolara. To je mnogo. Hubble ne rješava naše probleme, već povećava užitak. Otkriva Svemir. Ljudi su uvijek bili znatiželjni. 10 do 20 milijardi dolara zvući jako puno, ali to je samo 1 dolar godišnje za sve ljude u SAD – u. To je vrijednost jedne kafe, skoro ništa. Na sljedećoj slici vidimo lijevo pogled na galaksiju sa Zemlje i pogled na istu sa Hubble – a u Svemiru:
Hubble ima prednost da i kad je lansiran imalo se na umu da bi ga se mogo i trebalo poboljšati kad nam se tehnologija poboljša. Hubble je imao pet posjeta od astronauta sa Zemlje koji su ga popravljali i nadograđivali.
Neke od stvari koje je Hubble učinio su: Hubble je otkrio vodenu paru iznad Evrope, mjeseca oko Jupitera. Europa je pet puta dalje od Sunca nego Zemlja i prima pet puta manje svjetlosti od Sunca, ali zbog blizine Jupitera vjerojatno ima okean i led.
Hubble je imao ključnu ulogu u saznanjima o Plutonu. Zbog Hubble – a i nekih teleskopa sa Zemlje saznali smo da postoje drugi objekti slični Plutonu pa su astronomi imali opciju ili da smanje broj planeta za 1 ili povećaju na oko 100. Sad imamo nekoliko neidentifikovanih planeta blizanaca u dalekom Svemiru.
Ovo je ikonska slika sa Hubble – a:
Hubble se kontinuirano popravljao. Ovo su popravljene slike:
Hubble je snimao i u drugim dijelovima spektra. Ovo je u UV spektru:
Pogledajte ove magline i formiranje zvijezda. Ovo su sve nove zvijezde koje se rađaju u ovoj prelijepoj nebuli, zvijezdanom porodilištu. Zvijezde kako se formiraju, rađaju, imaju male diskove oko njih iz kojih nastaju planeti. Znaći zvijezde se rađaju sa planetama.
Ako idemo dalje vidimo dalje galaksije:
Prije su astronomi mislili da je Svemir prazan prostor, ali danas zahvaljujući Hubble – u znamo da svuda imamo izolovane skupine galaksija: Naš Svemir nije u potpunosti jedinstven. Vrlo je malo vjerojatno da smo mi i naš život na Zemlji jedinstveni, nego je vjerojatnije da ima puno života u drugim dijelovima Svemira. Večinu moje karijere sam proveo u proučavajući Hubble deep filed:
Jedno od zadnjih otkrića Hubble – a je Jedna od posljedica Einsteinove teroije relativnosti je da je prostor – vrijeme savijen gravitacijom. Ako imamo eksploziju supernove onda će svjetlost sa nje da se savija kroz Svemir. Svemir će biti duži ili kraži zahvaljujući kako masa reaguje s njim kroz gravitaciju. Samo mali dio materije u Svemiru možemo da vidimo našim okom. Skoro sve je tamno. Na osnovu gravitacijskih efekata možemo opaziti postojanje tamne materije i energije. Mi ne vidimo ni tamnu materiju ni tamnu energiju, zato ih zovemo tamnima, ali indirektno znamo da postoje.
Hubble – ov nasljednik je iza kornera. James Web teleskop će ići dalje u Svemir i otkriti puno više te nas učiti potpuno nove stvari o Svemiru.
Opažati će u dužim valnim dužinama u infracrvenom spektru. Imati ćemo eksluzivan pogled na prve galaksije koje su nastale i možda na mjesta u Svemiru koja možda imaju život u Svemiru. Ovo su neke od slika koje je Hubble napravio:
Hubble nas je jako mnogo naučio. Vrlo je nevjerojatno šta je Hubble uradio. Uzbuđen sam sa svime šta će nas James Web teleskop uskoro naučiti.”, Jonathan Trump
“Pokus s alfa-česticama i zlatnim listićem je bio jedan od najznačajnih pokusa u nuklearnoj fizici, jer je to bio prvi dokaz da u atomu postoji atomska jezgra. Ernest Rutherford okuplja plodan tim istraživača, među kojima su Hans Geiger, Ernest Marsden, George Hevesy, Henry Moseley, a nekoliko je godina dio tima bio i Niels Bohr.
Ključni se pokus za to otkriće dogodio 1909. kada su znanstvenici vrlo tanki zlatni listić izložili djelovanju alfa-čestica. Thompsonov model atoma je predviđao da će alfa-čestice proći kroz tanki metalni film i raspršiti se pod određenim malim kutovima. No, na veliko je iznenađenje istraživačkoga tima ustanovljeno raspršenje i pod velikim kutovima, a neke su se helijeve jezgre od metalne folije odbile potpuno unatrag. Rutherford je to usporedio s vjerojatnošću da list papira odbije topovsku kuglu. Rezultat je pokusa vodio prema novom modelu atoma, koji je Rutherford predložio 1911.: atom se sastoji od središnjega električnog naboja okruženoga sferičnom raspodjelom naboja suprotnoga predznaka.
Ernest Rutherford je pokusima izmjerio da 1 gram kemijskog elementa radija, u ravnoteži sa svojim izotopima, zrači svake sekunde oko 3,7 1010 alfa-čestica. Osim toga, Rutherford je točno izmjerio električni naboj i masu alfa-čestice. Kasnije je zapazio još jednu važnu pojavu, da se alfa-čestice pri prolasku kroz neki materijal raspršuju. Kada bi uski snop alfa-čestica, poslije prolaza kroz tanki listić (folija) metala, pao na fotografsku ploču, onda bi se zapazili tragovi da su alfa-čestice skretale od pravca snopa. Ove pokuse je Rutherford započeo u Kanadi, a kasnije je nastavio u Ujedinjenom Kraljevstvu s Geigerom i Marsdenom.
Oni su ispitivali raspršenje alfa-čestica na taj način što su kroz mali otvor na olovnoj ploči, propuštali njihov uski snop, koji je padao na tanki zlatni listić, debljine 0,01 mm. Iza zlatnog listića je bio postavljen fluorescentni zastor od cinkovog sulfata (ZnS), koji ima svojstva scintilacije. Promatranjem kroz mikroskop, Rutherford i njegovi suradnici su zapazili, da je veličina površine na fluorescentnom zastoru, na kojoj su se zapazile scintilacije ili bljeskovi alfa-čestica, veće kad one prolaze kroz zlatni listić, nego bez njega.
Kasnije su Rutherford i njegovi suradnici zamijenili fluorescentni zastor s fotografskom pločom, a zlatni listić su znali mijenjati s aluminijskim listićem, ili su fotografirali bez njega. Uspoređivanjem dobivenih fotografija, zapazili su da su površine na fotografskoj ploči, koje su ostavljale alfa-čestice, najveće kad bi postavili zlatni listić, a najmanje kad alfa-čestice prolaze samo kroz zrak. Osim toga, tragovi alfa-čestice su sve nejasniji prema rubovima fotografske ploče. Primijetili su uz to da se jedan dio alfa-čestica odbio od zlatnog listića.
Objašnjenje rezultata pokusa
Na osnovu rezultata mnogobrojnih pokusa, s više različitih metalnih listića, Rutherford i njegovi suradnici su zaključili da pri prolazu kroz metalne listiće nastaje raspršenje ili skretanje alfa-čestica. Ovu pojavu su objašnjavali međusobnim djelovanjem alfa-čestica i jezgre atoma metala, kroz koje su one prolazile. Najveće raspršenje su dobili kod prolaza alfa-čestica kroz dva zlatna listića, ali se malo raspršenje dogadalo i kod prolaza kroz zrak. Tragovi kretanja alfa-čestica su se mogli dobiti kod prolaza kroz oblačnu komoru (Wilsonova komora).
Pošto je Rutherford znao masu, brzinu i električni naboj alfa-čestica, na osnovu dobijenih rezultata iz mnogobrojnih pokusa i matematičkih izračuna, zaključio je da ta skretanja mogu izazvati samo neke jake odbojne sile, koje se nalaze u atomima metala, kroz koji su alfa-čestice prolazile. Kako su skretanja alfa-čestica pod velikim kutevima bila jako rijetka, na primjer pri prolazu kroz listić platine na svakih 8000 jedna alfa-čestica bi skrenula pod kutem većim od 90º, Rutherford je smatrao da na njih djeluju neke jake odbojne sile. Te sile su mogle poticati samo od jakih električnih polja pozitivnog elektrižnog naboja, koji je sabijen u pojedinim sitnim mjestima u unutrašnjosti atoma, a nikako od električnog naboja, koji je bio raspoređen u cijelom atomu, kako bi proizlazilo iz Thompsonovog modela atoma.
Na osnovu toga što su alfa-čestice lako prodirale u dubinu atoma, uz malo skretanje od svog upadnog pravca, a vrlo rijetko pod većim kutevima, Rutherford je pretpostavio da je glavna masa atoma skoncentrirana u njegovom centru, čije su mjere vrlo male u usporedbi s promjerom atoma i da je pozitivan elektricitet svojstven za tu masu u centru. 1912. Rutherford je centar atoma nazvao atomskom jezgrom. Raspršenje alfa-čestica pri prolazu kroz metalne listiće, odnosno bilo koju kemijsku tvar, može se objasniti međusobnim djelovanjem (interakcijom) između pozitivno nabijenih alfa-čestica i pozitivno nabijenog atomskog jezgra, što se naziva Rutherfordovo raspršenje.”, (1)
Geigerov brojač ili Geiger-Müllerovobrojilo je naprava ili mjerni instrument za otkrivanje ili detekciju ionizirajućega zračenja (radioaktivnost), odnosno brojenje prolaska ionizirajućih čestica ili fotona. Najčešća je izvedba brojila u obliku metalne cijevi ili staklene cijevi s metalnom oblogom, koja ujedno ima ulogu katode. Anoda je tanka metalna žica koja prolazi kroz os cijevi. Elektrode su spojene na visoki napon, a cijev je ispunjena smjesom plemenitoga plina (na primjer argona ili neona). U trenutku kada ionizirajuća čestica ili foton u prolazu kroz brojilo ionizira plin, produkti ionizacije (pozitivni ioni i elektroni) razdvajaju se pod djelovanjem električnoga polja. Ioni se ubrzano gibaju prema katodi, a elektroni prema anodi i pritom u plinu uzrokuju daljnju, lavinsku ionizaciju. Time se nakratko zatvara strujni krug i na otporniku u vanjskome dijelu kruga nastaje naponski impuls. Ti se impulsi odbrojavaju u elektroničkom brojilu, koje često ima i mali zvučnik za zvučnu indikaciju zračenja. U takozvanome mrtvome vremenu, dok je plin ioniziran, brojilo ne može indicirati novo zračenje. Stoga se za prekidanje (gašenje) daljnje ionizacije i stalnog izboja u cijev dodaju i male količine drugih plinova ili para. Važno je svojstvo brojila učinkovitost, to jest omjer broja indiciranih i ulaznih čestica ili fotona. Geiger-Müllerovo brojilo može služiti i za detekciju neutrona, premda oni, električki neutralni, ne uzrokuju ionizaciju. Međutim, neutroni mogu uzrokovati sekundarnu ionizaciju, i to oslobađanjem alfa-čestica u nuklearnoj reakciji s elementom borom, pa u tu svrhu cijev brojila treba sadržavati plinoviti borov trifluorid. Geigerov brojač se koristi za otkrivanje i mjerenje radioaktivnog zračenja te se rutinski primjenjuje za mjerenje stupnja ozračenosti iz bilo kojeg izvora: nuklearnih elektrana, istraživačkih laboratorija ili atmosfere. Budući da jako nuklearno zračenje predstavlja opasnost po život, neobično su važne pouzdane i brze detekcije nuklearnog zračenja. Tome služi Geigerov brojač koji je ostao uglavnom nepromijenjen otkako je prvi puta izumljen.
Povijest
Geigerov brojač je 1910. izumio mladi i daroviti njemački fizičar Hans Geiger koji je s kolegom Rutherfordom radio na britanskom Sveučilištu u Manchesteru. U to vrijeme Rutherford i njegovi suradnici radili su na proučavanju alfa-čestica koje su u stvari jezgre helija. Njih je osobito zanimala mogućnost brojenja pojedinih alfa-čestica.
Način rada
Prvobitni instrument za brojenje alfa-čestica sastojao se od fine tanke žice nabijene visokom napetošću, a prolazila je središtem valjka iz kojeg je bio gotovo isisan zrak. Kada su alfa-čestice prolazile razrijeđenim plinom, u valjku su uzrokovale nabijanje čestica plina. Taj proces naziva se ionizacija. Slijedilo je kratkotrajno opadanje električnog napona a impuls struje pobuđen svakom pojedinom alfa-česticom mogao se opaziti na brojčaniku. Danas se to ponekad čuje kao “klik” na zvučniku brojača. Geigerov brojač može razlikovati alfa-čestice od ostalih vrsta radijacije – beta i gama zraka (putem snižavanja napetosti tanke žice u valjku). Stoga je vrlo jednostavno otkriti koju vrstu radioaktivnosti zrači pojedini radioizotop i kolika je njezina energija. Vrlo jednostavna inačica Geigerova brojača je dozimetar kojem nisu potrebni elektronički uređaji Geigerova brojača. On je veličine i oblika obične olovke te ga koriste zaposlenici koji rade pokraj radioaktivnih izvora. Dozimetar služi za grubo mjerenje radioaktivnog zračenja oko njih.
Veliki hadronski sudarivač ili supersudarivač (engl. Large Hadron Collider, LHC) je najveći svjetski akcelerator čestica. Očekuje se da će se njime razriješiti temeljna pitanja fizike, te unaprijediti ljudsko znanje o zakonima prirode. LHC se nalazi u kružnom tunelu dugačkome 27 km koji se nalazi 175 metara ispod francusko-švicarske granice u blizini Ženeve, Švicarska. Akcelerator je namijenjen za sudaranje usmjerenih čestica protona pri energiji od 7 elektronvolta (1,2 mikrodžula) po čestici ili jezgri olova pri energiji od 574 TeV(92 μJ) po jezgri. Termin hadron se odnosi na čestice sastavljene od više kvark čestica. LHC je izgradio CERN s namjerom testiranja različitih predviđanja fizike elmentarnih čestica uključujući teorijsko postojanje Higgsova bozona. Osnovan je i izgrađen u suradnji s više od 10 000 znanstvenika i inženjera iz preko 100 država kao i sa stotinama instituta i laboratorija. Dne 10. rujna 2008., prva zraka protona uspješno je prošla čitavim glavnim prstenom, ali devet dana poslije sve je zaustavljeno zbog ozbiljnog kvara. Dana 20. studenog 2009. nova zraka protona je uspješno prošla kroz sudarivač te je tri dana kasnije zabilježen sudar protona pri energiji od 450 GeV po zraci. Nakon gašenja u zimi 2009., ponovno je pokrenut te su zrake puštene pri energiji od 3,5 TeV. Dne 30. ožujka 2010., dogodio se prvi planirani sudar dviju zraka protona od kojih je svaka bila energije 3,5 TeV. Tada je postignut svjetski rekord ljudski napravljenog sudara čestica najveće energije.
Svrha Fizičari se nadaju da će LHC pomoći u rješavanju većine temeljnih pitanja fizike: pitanja u vezi osnovnih zakona međudjelovanja i sila između elemantarnih tijela, strukture vremena i prostora, posebice u vezi križanja kvantne mehanike i opće relativnosti gdje su trenutačne teorije i potpuno znanje nerazumljive i neslagajuće. Ova pitanja uključuju barem: Je li Higgsov mehanizam za stvaranje masa elemantarnih čestica električki slabim slomom simetrije zbilja ostvaren u prirodi? Očekuje se da će sudarivač dokazati ili isključiti postojanje Higgsova bozona, te tako dopuniti ili u potpunosti oboriti Standardni model. Je li supersimetrija produžetak standardnog modela i Poincaréove simetrije, ostvarena u prirodi te time pokazuje da sve poznate čestice imaju simetričnog superpartnera? Postoje li dodatne dimenzije kako predviđaju različiti modeli nadahnuti teorijom struna, i možemo li ih očitati? Koje su svojstva tamne tvari koja čini 23% Svemira?
Način rada LHC će omogućiti proton – proton sudare na energiji centra mase 14 TeV. Protoni nisu elementarne čestice, pa će energija sudara njihovih sastavnih dijelova (kvarkova i gluona) biti nešto manja, ali još uvijek u području TeV-a, što je za red veličine više nego za CERN-ov Large Electron Positron (LEP) ili Fermilabov Tevatron sudarivač. Nuklearni udarni presjeci na LHC za zanimljive procese su najmanje 10 puta veći nego na Tevatronu. Predviđeni udarni presjeci za produkciju Higgsovog bozona su, međutim, i dalje nekoliko redova veličina manji nego za pozadinske procese, što traženje ovog bozona čini vrlo izazovnim. Na LHC-u će se također sudarati i teški ioni (olova), s energijom u centru mase većom od 1,150 TeV, što je 30 puta veća energija nego trenutno na RHIC-u (engl. Relativistic Heavy Ion Collider), u Brookhaven National Labaratory u SAD-u. LHC će biti vrelo zanimljive fizike zbog visoke energije koju će dosegnuti, a koja je na mogućim granicama valjanosti Standardnog modela. Primarni cilj je traženje mehanizma odgovornog za lomljenje simetrije u elektroslabom području. Druga zanimljiva pitanja su potraga za supersimetričnim česticama, testovi Standardnog modela, CP narušenje i potraga za kvark-gluon plazmom. LHC je izgrađen u 26,7 km dugom tunelu koji se prethodno koristio za LEP eksperiment. Protoni će se ubrzavati u nekoliko koraka korištenjem CERN-ovog kompleksa ubrzivača. Kako bi se moglo ubrzavati čestice u sinkrotronskom akceleratoru do vrlo visokih energija, poput onih na LHC-u, potrebni su vrlo jaki magneti i složeni sustav ubrzavanja. LHC koristi najnaprednije supravodljive magnete i ubrzivačke tehnike. Dva važna parametra, koji određuju eksperimentalne uvjete u točkama sudara gdje su smješteni detektori, su visoki luminozitet i kratko vrijeme između sudara paketa. U početnom razdoblju, LHC će raditi luminozitetom 1033 cm−2s−1, a kasnije nazivnim luminozitetom od 1034 cm−2s−1. Tijekom jedne kalendarske godine, prosječno vrijeme rada LHC-a na visokom luminozitetu procjenjeno je na oko 100 dana (107 s). Nuklearni udarni presjek za neelastične proton – proton sudare na LHC je σneel = 60 mb, dok se za totalni udarni presjek očekuje σtot = 100 mb. To znači da će biti oko 20 proton – proton sudara po sudaru paketa, što će rezultirati velikom množinom tragova nabijenih i neutralnih čestica. Spomenuta činjenica, zajedno s kratkim intervalom između sudara od 25 ns postavlja sljedeće kriterije na konstrukciju eksperimenata: finu zrnatost kako bi se razlučilo veliko mnoštvo čestica, brzi odgovor detektora kako bi se izbjeglo nagomilavanje signala (engl. signal pile-up), brzi i učinkovit sustav za okidanje i sakupljanje podataka, veliku radijacijsku otpornost komponenti detektora, posebno u prednjim dijelovima. Na prstenu ubrzivača postavljena su četiri detektora. Dva su općenite namjene, kompaktni mionski solenoid ili CMS, i ATLAS (engl. A Toroidal LHC Apparatus), zatim detektor namijenjen za fiziku b kvarkova, LHCb (engl. Large Hadron Collider beauty) i detektor za fiziku teških iona, ALICE (engl. A Large Ion Collider Experiment).
Kompaktni mionski solenoid ili CMS
Kompaktni mionski solenoid ili CMS (engl. Compact Muon Solenoid) projektiran je kako bi omogućio otkrivanje i proučavanje prvenstveno Higgsovog sektora Standardnog modela. Ustvari, on ima za cilj, kao i Veliki hadronski sudarivač ili LHC, odgovoriti na jedno od glavnih pitanja moderne fizike elementarnih čestica: pitanje o porijeklu spontanog lomljenja simetrije u Standardnom modelu. Vidljiva posljedica tog modela bila bi skalarna čestica — Higgsov bozon, ili, u slučaju da Standardni model nije potpuni opis prirode, mnoštvo novih čestica kao: nekoliko Higgsovih bozona, supersimetrične čestice, novi baždarni bozoni, tehnikolor stanja ili leptokvarkovi. Za precizno mjerenje količine gibanja nabijenih čestica potrebno je jako magnetsko polje, što povlači korištenje supravodljive tehnologije. Srce detektora čini supravodljivi solenoid, koji je 13 m dugačak, unutrašnjeg promjera 6 m i jakosti polja 4 T. Povratno vanjsko magnetsko polje dovoljno je da zasiti sloj od 1,5 m željeza, u kojem su integrirana četiri sloja mionskih stanica. Svaka mionska stanica sastoji se od nekoliko slojeva aluminijskih driftnih cijevčica ili DT (eng. drift tubes), u središnjem dijelu (eng. barrel region), te komora s katodnim trakama ili CSC (eng. cathode strip chambers) i komora s otpornim pločama ili RPC (eng. resistive plate chambers) u prednjem dijelu (eng. endcap region). Unutarnji detektor tragova i kalorimetrijska oprema smješteni su u šupljinu supravodljivog magneta duljine 5,8 m i promjera 2,6 m. Višestrukost tragova u uvjetima eksperimenta će biti jako velika, pa je vrlo važna visoka razlučivost i preciznost, zbog čega detektor tragova ima 10 slojeva silicijevih detektora s mikrotrakama (eng. silicon microstrip detector). Detektor takoder ima 3 sloja silicijskih piksel detektora, koji su smješteni neposredno oko točke interakcije, kako bi se omogućilo precizno mjerenje parametra raspršenja ili IP (eng. impact parameter) za tragove nabijenih čestica, te pozicija sekundarnog vrha (eng. secondary vertex). Elektromagnetski kalorimetar ili ECAL (engl. electromagnetic calorimeter) sadrži kristale olovnog volframata (PbWO4). Scintilirajuće svijetlo detektira se silicijevim lavinskim fotodiodama ili APD (eng. silicon avalanche photodiode) u središnjem dijelu, te s vakuumskim fototriodama ili VPT (eng. vacuum phototriode) u prednjem dijelu. Sustav za odbijanje dogadaja s π0 česticama smješten je ispred ECAL-a, na prednjem dijelu.
Large Hadron Collider (LHC) – najveći stroj koji su ljudi ikada sagradili – specijaliziran je da baca protone jedne na druge pri gotovo brzini svjetlosti. Nova i poboljšana inačica LHC-a stvarat će energetske sudare jače nego što su ikad prije postignuti na Zemlji. To čini tako što stvara snopove protona – pozitivno nabijenih čestica u atomu – i baca ih oko petnaest milja kako bi postigli gotovo brzinu svjetlosti. Kad se protoni međusobno sastave u direktnim sudarima, eksplodiraju u vruće oblake prepuno egzotičnih subatomskih čestica:
Evo kako fizičari čine ove nevjerojatne sudare:
Prvi korak je pretvaranje vodika u protrone. Vodik je poseban element jer je jedan od najmanjih atoma i sadrži samo dvije čestice: elekrone i proton. Većina drugih čestica ima višekratnike i također imaju neutralne čestice nazvane neutronima. Zato je jednostavnije izolirati protone na ovaj način: Jednostavno upotrijebite električno polje da privučete elektrone od atoma vodika, ostavljajući samo protone. Ova zraka izoliranih protona potom se šalje ubrzano u smjeru kazaljke na satu oko divovskog tunela LHC dužine od 27 kilometara, dok se druga protonska zraka šalje u smjeru suprotnom od smjera kazaljke na satu. LHC ima niz akceleratorskih cijevi koje povećavaju brzinu protonskog snopa dok ne budu putovali samo djelić sekunde ispod brzine svjetlosti. Superohlađeni magneti usmjeravaju tunel i ponašaju se poput upravljača kako bi snopove držali na stazi.
Svaka protonska zraka sadrži 2.000 do 3.000 skupova protona, a samo jedan skup je napravljen od oko 100 milijardi protona. Prije no što se snopovi sudare, svi ti protoni stisnuti su u tok koji je manji od širine dlake.
“Čestice su toliko malene da je zadatak da ih se sudari sličan tome da se dvije igle stave 10 kilometara udaljene tako precizno da se one susretnu na pola puta”, piše CERN u svom opisu LHC.
Kad se zrake sudaraju, njihova kombinirana energija dovoljna je da se rastopi oko 550 kg bakra. LHC stvara oko 600 milijuna sudara u sekundi kada radi punom snagom. Sudari se događaju na četiri točke duž pruge od 27 km. Detektor čestica čeka na svakoj točki kako bi izmjerio sve subatomske čestice koje izbijaju iz sudara. Znanstvenici smatraju da će drugo pokretanje LHC – a otkriti čitav niz novih čestica, iza Higgsova bozona.
Tuneli LHC-a kroz koje prolaze protoni imaju uvjete slične vakuumu- u vanjskog svemira. Kada se dvije zrake sudaraju, sva ta energija upakirana u takav mali prostor vakuuma eksplodira i stvara masu u obliku subatomskih čestica (misli na Einsteinovu poznatu jednadžbu: energija je jednaka masi pomnoženoj s brzinom svjetlosti na kvadrat). Čestice koje izranjaju iz tih sudara postoje samo djelić sekunde, ali to je dovoljno vremena da detektori čestica obavljaju svoje poslove – izmjere položaj, brzinu, naboj, masu i energiju svih subatomskih čestica koje su stvorene.
Sudari su toliko visoke energije da većina čestica koje izbijaju u postojanje ostavljaju iza sebe stazu svjetla pa je moguće utvrditi njihov položaj. Većina detektora također ima snažan magnet koji uzrokuje da čestice putuju na zakrivljenom putu na temelju njihovog električnog naboja. Fizičari također mogu izračunati masu i energiju čestica na temelju ove zakrivljene staze. Stavite sve zajedno i detektori čestica mogu ponovo stvoriti ono kako sudari izgledaju odmah nakon što se dogode. Slike poput onih od Higgsova bozona zapravo su samo računalne rekreacije staza koje čestice zauzimaju tijekom njihovog vrlo kratkog postojanja. To je gdje imamo nevjerojatne slike poput ove iz nekih od prvih sudara unutar LHC-ovog ALICE detektora čestica:
I ova iz LHC-ovih CMS detektora čestica koja pokazuje više od 100 subatomskih čestica koje su izbijale iz proton – proton sudara:
Elektronski mikroskop izumljen u Njemačkoj 1933. (Ernst Ruska), a širu je namjenu stekao tijekom ranih pedesetih, s Georgeom Paladeom, Fritiofom Sjøstrandom, i Keithom Porterom kao nekima od njegovih prvih najistaknutijih korisnika. Mjesto vidljive svjetlosti i optičkih leća, elektronski mikroskop koristi zraku elektrona, koju usmjerava fokusirajući elektromagnetsko polje.Iz razloga što je valna duljina elektrona znatno kraća od one fotona vidljive svjetlosti, granica razlučivosti elektronskog mikroskopa je puno manja od one svjetlosnog mikroskopa: oko 0,1 – 0,2 nm elektronskog mikroskopa u usporedbi s oko 200 – 350 nm kod svjetlosnog mikroskopa.Međutim, za biološke uzorke stvarna granica razlučivosti obično nije niža od 2 nm ili je viša, zbog problema s pripremom preparata i kontrastom. Elektronski mikroskop ima oko 100 puta veću moć razlučivanja od svjetlosnog mikroskopa. Za posljedicu je i iskoristivo povećanje također veće: do 100 000 puta elektronskog mikroskopa, u usporedbi s 1000 do 1500 puta kod svjetlosnog mikroskopa. Na taj je način, promatrajući ju elektronskim umjesto svjetlosnim mikroskopom, moguće zapaziti mnogo više detalja u građi stanice.
Tipologija
Elektronske mikroskope nalazimo u dva osnovna oblika: transmisijski elektronski mikroskop (TEM) i skenirajući elektronski mikroskop (SEM). Transmisijski i skenirajući elektronski mikroskopi su slični po tome što oba primjenjuju zraku elektrona, no za stvaranje slike koriste posve različite mehanizme. Kao što samo ime govori, TEM sliku oblikuje pomoću elektrona koji se odašilju kroz preparat. SEM, pak, skenira površinu preparata te sliku oblikuje otkrivajući elektrone koji se odbijaju od vanjske površine preparata. Skenirajuća elektronska mikroskopija je napose neobična tehnika zbog dojma dubine koji se stječe promatranjem prikazanih bioloških struktura.Zbog niske prodorne snage elektrona, uzorci koji se pripremaju za elektronsko mikroskopiranje moraju biti iznimno tanki. Sprava koja se koristi za tu svrhu naziva se ultramikrotom. Opremljena je dijamantnim nožićem te može rezati presjeke debljine do 20 nm. Postojeći deblji pripravci se također mogu promatrati elektronskim mikroskopom, ali je u tom slučaju potreban znatno veći pogonski napon kako bi se primjereno povećala prodorna snaga elektrona. Takav visoko-naponski elektronski mikroskop koristi pogonski napon od nekoliko tisuća kilovolta (kV), što je jedva usporedivo s rasponom od 50 – 100 kV koliko je potrebno većini konvencionalnih instrumenata. Presjeci do 1 μm debljine se mogu proučavati isključivo s takvim visoko-naponskim instrumentima. Tolika debljina nam omogućava detaljnije istraživanje organela i drugih staničnih struktura.Specifične tehnike u elektronskoj mikroskopiji[uredi VE | uredi]U elektronskoj je mikroskopiji razvijeno više specifičnih tehnika, od kojih je uistinu svaka tek drugačiji način pripremanja uzorka za transmisijsko elektronsko mikroskopiranje. Ovdje navodimo samo neke.Tehnikom negativnog bojenja se uzorci ne režu na ultratanke prereze već se mjesto toga jednostavno odlažu u gustu elektronsku boju, omogućavajući netaknutom preparatu da sliku tvori izdvajajući se od tamno obojene pozadine. Ova je tehnika očigledno primjenjiva isključivo na vrlo male predmete poput virusa ili izoliranih organela, ali omogućava da se izgled oblika i površine proučava na još uvijek netaknutim predmetima.Frakturiranje zamrzavanjem uključuje načelno različite načine pripreme uzorka. Umjesto rezanja ravnomjernih presjeka ili proučavanja cjelovitog materijala, preparati se podvrgavju naglom zamrzavanju – obično u tekućem dušiku – a onda se udaraju oštrim rubom sječiva. Ovo uzrokuje lomljenje (frakturu) preparata po linijama prirodne slabosti, što su u većini slučajeva prazni prostori u membranama. Tanki sloj metala sa zgusnutim elektronima, poput zlata ili platine se tehnikom “zasjenjivanja” nanosi na površinu uzorka stvarajući kopiju preparata od zlata ili platine. Kopija se potom proučava TEM-om. Iz razloga što linija loma prolazi kroz prazne prostore u membranama gdje god je to moguće, kopija nastala ovim postupkom je vjeran prikaz unutrašnjosti membrana. Proučavanje uzoraka frakturiranja zamrzavanjem je u velikoj mjeri pridonijelo našem razumijevanju građe membrana.Važnost[uredi VE | uredi]Elektronska mikroskopija je, ostvarujući detaljna ultrastrukturna istraživanja, iz temelja preinačila naše razumijevanje građe stanice. Neki se organeli (poput jezgre ili mitohondrija) dovoljno dobro vide i korištenjem svjetlosnog mikroskopa, ali se uz pomoć elektronskog mikroskopa mogu vršiti mnogo detaljnija istraživanja. Pored toga, elektronska mikroskopija je otkrila stanične strukture koje su premalene da bi se mogle zamijetiti svjetlosnim mikroskopom. One uključuju ribosome, membrane, mikrotubule, i mikrofilamente.
Skenirajući Tunelski Mikroskop (STM) je veoma moćna tehnologija za snimanje površine i karakterizaciju materijala sa mogućnošću postizanja atomske rezolucije. STM je zasnovana na kvantno-mehaničkom efektu tunelovanja elektrona. Kada se zašiljen vrh od provodnog materijala približi provodnom ili poluprovodničkom materijalu napon koji je prethodno ostvaren između vrha i materijala omogućava prolazak elektrona kroz vakuum koji ih razdvaja. Nakon uspostavljanja toka elektrona struja koja teče između uzorka i vrha (koji igra ulogu sonde) je funkcija lokalne gustine stanja.
Njegov razvoj je 1981. donio pronalazačima, Gerd-u Binnig-u i Heinrich-u Rohrer-u (sa IBM Zürich), Nobelovu nagradu za fiziku, 1986.
Za STM, dobrom rezolucijom se smatra 0,1 nm poprečno, i 0,01 nm po dubini. Sa ovakvom rezolucijom, pojedinačni atomi na površini materijala su jednostavno uslikani, sa mogućnošću manipulacije.
Mnoge druge mikroskopske tehnike su razvijene na bazi STM. One uključuju: fotonsku skenirajuću mikroskopiju (PSTM), koja koristi optički šiljak za tuneliranje fotona; skenirajući tunelski potenciometar (STP), koji mjeri električni potencijal površine; spin polariziranu skenirajuću tunelsku mikroskopiju (SPSTM), koja koristi feromagnetični šiljak da tunelira spin-polarizirane elektrone u magnetskom uzorku, kao i mikroskopiju atomske sile (AFM), u kojoj se mjeri sila uzrokovana interakcijom između vrha i uzorka.
