Nobel-díjas kísérletek középiskolásoknak

A szakkör célja

A mérési szakkörel a modern fizikát kívánjuk népszerűsíteni néhány Nobel-díjhoz kötődő kutatási területen keresztül. Célunk, hogy bepillantást kapjatok a kutatás világába, és modern műszerekkel középiskolai szinten nem elérhető témákban kísérletezhessetek. 

 

Az idén választható témáink:


Szupravezetés (SC)


Mérések atomi méretskálán
(MCBJ)


Holográfia (Holo)


Az LCD kijelzőktől a maláriadiagnózisig
(LC)

Irányíts atomreaktort! (Reak)

Lézerfizika, spektroszkópia (Lézer)

A mérésekről ezen lap alján láthattok egy-egy rövid összefoglalót, a kapcsolódó linken pedig a teljes mérési bevezetőt!


Fontos információk a szakkörrel kapcsolatban


Hagyományos, péntek délutáni alkalmaink

Idén 2018. október 5-én és 26-án pénteken du. 3 órától 7 óráig tartjuk a szakkörünket. Egy diáknak lehetősége van mindkét alkalomra eljönni, ha tetszett a szakkör, és még nem vagy végzős, jövőre is visszavárunk a többi mérésre.

Kétnapos alkalom az őszi szünetben távolról érkezőknek

Azok számára, akik távolról érkeznek és a fel- ill. hazajutás nehézségeket okoz, idén először szervezünk egy kétnapos, ottalvós alkalmat is az őszi szünet alatt, okt. 29. hétfő délután és okt. 30. kedd délelőtt, amely alkalommal két mérést tudtok elvégezni.

A szakkör keretében a mérési alkalmakat biztosítjuk. Az odajutás, hazajutás, helyi igények kielégítése a résztvevők feladata és felelőssége, ide értve a budapesti szállás, élelmezés kérdését is. A kétnapos szakkör résztvevői igénybe vehetik az ELTE Apáczai Csere János Gyakorló Gimnázium kollégiumát, mely a mérések helyszínétől kb. 1,5 km gyalogútra van a város szívében. A diákok kollégiumi nevelőtanár felügyeletével 2-4 ágyas szobákban kerülnek elhelyezésre, a helyi teakonyhát is használhatják, rájuk ugyanúgy vonatkoznak a házirend ideillő pontjai. A szállás díja 2000 Ft/fő, amit helyben, készpénzben kell kifizetni. A szállásra a méréstől külön kell jelentkezni!

Helyszín:

A mérések fő helyszíne a BME Fizikai Intézetének F3/2/13 terme, ahova a 1111 Budapest, Budafoki út 8. alatti kapun keresztül lehet bejutni. A további belső helyszínekre innen fogunk együtt átmenni. A reaktoros mérés az egyetem TR épületében lesz, ide a hosszas ebléptetés miatt kérünk mindenkit, hogy negyed órával a mérés kezdete előtt jelenjen meg. A kollégium a 1053 Budapest, Papnövelde utca 4-6. címen található. Igény esetén segítünk a közlekedésben.


Eljutás a kollégiumból az egyetemre

A BME épületeinek elnevezése térképen. A mérések az F épületben kerülnek megrendezésre, kivéve az atomreaktoros mérést, amely a TR tanreaktor épületében lesz.


Az F3/2/13 termet a BME Budafoki út 8. sz. alatti kapujától érdemes megközelíteni a fenti térkép szerint. A piros nyílnak megfelelően gyere be az F épület III. lépcsőházba, menj fel a második emeletre, majd a folyosón haladva megtalálod az előadótermet.

Jelentkezés és határidő:

A mérési szakkörre 10., 11. és 12. évfolyamos középiskolás diákokat várunk (az atomreaktoros alkalomra csak 16. életévüket betöltött diákok jelentkezhetnek). A szakkör ingyenes, de a helyek száma korlátozott. A kétnapos alkalom esetében előnyt élveznek a vidékről felutazók.

A hagyományos alkalmakra legkésőbb az adott mérési alkalom előtt 2 nappal, azaz az első alkalomra 2018. október 3. éjfélig, a második alkalomra pedig október 24. éjfélig lehet jelentkezni ezen a linken.

A kétnapos alkalomra 2018. okt. 22. éjfélig lehet jelentkezni ezen a linken. Amennyiben a kollégiumban szeretnél szállást, ezen a linken jelentkezhetsz szintén 2018. okt. 22. éjfélig.

A jelentkezési határidő után emailben keressük fel a regisztráltakat.

Mit kell hozni?

A szakkörhöz mindent eszközt és számítógépet is biztosítunk. A jegyzeteléshez hozzatok füzetet. Nem kötelező, de hozhatsz fényképezőgépet, amivel a mérésről készíthetsz fényképeket. Fontos ugyanakkor, hogy a reaktor portájáról, biztonsági rendszereiről és a beengedés folyamatáról tilos fényképet készíteni.

Kapcsolat:

Kérdéseitekkel forduljatok bizalommal a szakkör szervezőjéhez, Fülöp Bálinthoz ezen a címen: .


Poszterverseny a szakkör résztvevőinek


A poszter és annak előadása a tudományos világban egy bevett műfaj az eredmények kommunikálására pl. egy nemzetközi konferencián, így érdemes megismerkednetek vele. Ennek érdekében idén először poszterversenyt hírdetünk a szakkör összes résztvevőjének: a szakkörön véghezvitt egyik mérésed eredményeiből készíts egy posztert és küldd el nekünk emailben! A megfelelően színvonalas posztereket kinyomtatjuk és bemutatásra kerülnek a kari nyílt napon, majd a posztert hazaviheted, és akár ki is teheted az iskoládban. A legjobb poszterek készítői jutalomban részesülnek!

Bevezető előadás a poszterekről

Segítünk a feladatban! Annak érdekében, hogy bemutassuk, milyen egy jó poszter, egy rövid előadást hallhattok majd okt. 29. hétfő este a mérések után, este 6 órától. Hallhattok arról, hogy milyen tartalmi és formai követelményei vannak a poszternek, továbbá a technikai megvalósításról is mesélünk egy open source kiadványkészítő program segítségével, amivel aztán otthon elkészítheted a poszteredet.

A bevezető előadásra azokat is várjuk, akik a hagyományos alkalmakkor vesznek részt a mérésen!


A mérések rövid leírásai


Szupravezetés

Heike Kamerlingh Onnes holland fizikus miután 1911-ben megépítette hélium cseppfolyósító berendezését, elsőként végezhetett kísérleteket az abszolút nulla fokhoz igazán közeli hőmérsékleteken. Alacsony hőmérsékleti mérései pár hónapon belül nagyon meghökkentő felfedezéshez vezettek: azt találta, hogy egy higanyszál ellenállása 4,19 K hőmérséklet alatt zérusra csökken. Késöbb kiderült, hogy számos anyag (pl. ólom, ón, alumínium) tökéletes vezetőként, úgynevezett szupvavezetőként viselkedik megfelelően alacsony hőmérsékleten. Kammerling Onnes munkáját már két évvel később, 1913-ban Nobel-díjjal jutalmazták. Ezen korai felfedetés óta a szupravezetés folyamatosan a modern fizika kiemelt témái közé tartozik. Ha csak a legelismertebb eredményeket nézzük, 1972-ben, 73-ban, 87-ben és 2003-ban osztottak ki Nobel-díjakat szupravezetéssel kapcsolatos elméleti vagy kísérleti munkákért. Ezek közül kiemelkedő technikai jelentőségű a magashőmérsékletű szupravezetőkért kiosztott Nobel-díj (1987), hiszen ekkor vált lehetővé, hogy a folyékony héliumnál lényegesen olcsóbb folyékony nitrogénben is elérhető legyen a szupravezetés.

A szupravezetést az élet számos területén alkalmazzák a mágnesesen lebegtetett vonatoktól az orvosi MRI készülékek szupravezető mágneséig. Már régóta szupravezető áramkörök alkotják az egyik legérzékenyebb mágneses tér szenzort (SQUID), és napjainkban a szupravezető nanoszerkezetek bizonyulnak a legalkalmasabbnak arra, hogy kvantumszámítógépeket építsünk.

A mérés során magashőmérsékletű szupravezetőkkel kísérletezhettek, kimérhetitek, ahogy egy szupravezető drót ellenállása nullává válik, és vizsgálhattok szupravezető gyűrűt, melyben külső feszültségforrás nélkül, csillapítatlanul kering az áram. A mágneses tér méréséhez egy másik Nobel-díjas felfedezést (2007), az ún. óriás mágneses ellenállás szenzort használhatjátok.

A mérés részletes leírását itt találjátok meg.


Mérések atomi méretskálán

Már az ókori görögök is azt feltételezték, hogy az anyag atomokból épül fel. Ezt a hipotézist a 20. század elején számos kísérlettel sikerült bizonyítani, azonban ahhoz, hogy képet tudjunk készíteni egy anyag felületén lévő atomokról egészen 1981-ig kellett várni, amikor Gerd Binnig és Heinrich Rohrer megépítették az első pásztázó alagútmikroszkópot, amiért öt évvel később Nobel-díjjal jutalmazták őket.

Az alagútmikroszkóp működése az elektronok hullámtermészetének egy speciális következményén alapul, miszerint két egymáshoz közel vitt fémdarab között akkor is folyik áram, ha azok nem érnek össze. Ezt az áramot kvantummechanikai alagútáramnak hívják, melynek érdekes tulajdonsága, hogy a két fém távolságától nagyon érzékenyen függ: ha csak egy fél atom-atom távolsággal csökkentjük a rés szélességét, akkor az áram tízszeresére nő. Ha egy ollóval elvágott fém tűt közel viszünk egy fém felülethez, akkor az alagútáram jelentős része azon egyetlen atomon keresztül folyik, mely a legközelebb van a felülethez. A mérés közben a minta felületével párhuzamosan pásztázunk a tűvel, miközben egy szabályozó áramkört használva úgy mozgatjuk a tűt a felületre merőleges irányban, hogy mindig állandó legyen a mért alagútáram, azaz a tű közel azonos távolságban mozogjon a minta felületéhez képest. A tű mozgását számítógéppel rögzítve akár atomi felbontású kép készíthető a felületről.

A mérés során megmutatjuk, hogy hogyan lehet egy teljesen saját fejlesztésű alagútmikroszkópot építeni, majd önállóan kísérletezhettek egy alagútmikroszkóphoz hasonló elrendezéssel, mellyel ugyan nem lehet háromdimenzióban pásztázni, de megmérhetitek az elképzelhető legvékonyabb nanovezeték vezetőképességét, melyben az áram egyetlen atomon keresztül folyik.

A mérés részletes leírását itt találjátok meg.


Holográfia

Gábor Dénes (1900-1979) magyar születésű villamosmérnök és fizikus fejében 1947-ben fogant meg a holográfia alapötlete: a tárgyról érkező fény nem halad át egy lencsén, amely leképezné a fényérzékeny filmre (mint az a hagyományos fényképezésben történik), hanem közvetlenül rászóródik a fényérzékeny lemezre, egy másik, ún. referencia fényhullámmal együtt. Amikor a tárgyról érkező fényhullám és a referencia fényhullám összeadódik, a fényérzékeny lemezen interferenciakép keletkezik, amely a tárgyról érkezett hullámra vonatkozó teljes, háromdimenziós információt rögzíti. A hologramfelvétel készítéséhez koherens, egyszínű fényt kiadó fényforrásra van szükség (pl. a napfény vagy az izzólámpa fénye nem alkalmas erre). Nem csoda, hogy a holográfia tudományterülete csak az 1960-as évek elejétől, a lézer feltalálásával indult igazán látványos fejlődésnek. Az a néhány év azonban, ami ekkor következett – ekkor bontakoztak ki olyan, ma is virágzó kutatási területek, mint a holografikus optikai elemek, a holografikus interferometria, a számítógépes holográfia, a reflexiós holográfia – elég volt, hogy meggyőzze a Svéd Tudományos Akadémia bizottságát: 1971-ben Gábor Dénesnek ítélték a fizikai Nobel-díjat. Azóta a holográfia még számos jelentős területtel bővült, mint pl. a holografikus adattárolás vagy a holografikus biztonságtechnika.

A látványos, háromdimenziós kép visszaadásán kívül különösen izgalmas tulajdonsága a hologramnak, hogy az információ másképp oszlik el rajta, mint a hagyományos információtároló eszközökön (pl. a fényképen, a DVD-n vagy a számítógép mágneses merevlemezén). A hologramot kis darabokra törve is minden darabban a teljes tárgyinformáció megőrződik.

A mérés során megismerkedhettek a holográfia fortélyaival, és mindenki készíthet egy hologramot magának.

A mérés részletes leírását itt találjátok meg.


Folyadékkristályok polarizált fényben - az LCD kijelzőktől a maláriadiagnózisig

Pierre-Gilles de Gennes francia fizikus 1991-ben kapott Nobel-díjat polimerekben és folyadékkristályokban lezajló rendeződési folyamatok leírásáért. A folyadékkristály-kijelzők óriási technikai jelentősége már a Nobel-díj odaítélésekor is nyilvánvaló volt, bár akkor még távol állt a a technikai fejlettség a napjaink okostelefonjaiban vagy televízióiban használt nagy felbontású LCD kijelzőktől. (Az LCD betűszó az angol liquid crystal display kezdőbetűiből áll össze.) A folyadékkristály-cellákhoz nagyon hasonlóan működik az a műszer, amit a BME Fizikai Intézet kutatói a maláriafertőzés nagyon érzékeny kimutatására fejlesztettek ki. A maláriafertőzést okozó paraziták a vörösvértestekből hosszúkás, ún. hemozoin kristályokat hoznak létre, melyek mágneses viselkedésük miatt külső mágneses térben egy irányba rendezhetők - ezt használja ki az egyedülálló érzékenységű diagnosztikai műszer, mellyel kollégáink többek között egy, 2015-ben Nobel-díjjal is jutalmazott, maláriagyógyszer hatását vizsgálják.

A mérés első felében kísérletezve megismerhetitek, hogyan működik egy folyadékkristály-kijelző, majd kipróbálhatjátok, hogyan lehet egy mágnes és polarizált fény segítségével a maláriafertőzést jelző hemozoin kristályokat kimutatni. (A mérésen természetesen nem fertőzött vért, hanem szintetikus kristályokat használunk.)

A mérés részletes leírását itt találjátok meg.

 


Irányíts atomreaktort!

1932-ben James Chadwick felfedezte a neutront, amiért Nobel-díjjal jutalmazták. Nem sokkal később Enrico Fermi rájött, hogy neutronokkal besugározva elemeket azok más elemekké alakulnak át. Szintén Nobel-díjjal jutalmazták Otto Hahn felfedezését (1938), amely a neutronok létezésére és Fermi felfedezésére építve megmutatta, hogy neutronokkal nagy tömegszámú atommagokat el is lehet hasítani. Ezután nagyon rövid idő telt el és Enrico Fermi vezetésével – Szilárd Leó és mások közreműködésével – létrehozták az első szabályozott láncreakciót. Ma, néhány évtized elteltével a Magyarországon előállított villamos energia mintegy 50%-a láncreakcióból származik. A láncreakciót, az abban keletkező neutronokat mind kutatási és oktatási, mind energetikai célokra használják szerte a világon.

A mérés során először a BME működő Oktatóreaktorában teszünk egy látogatást, ahol megismerkedünk különböző – a reaktorhoz, magátalakulásokhoz, sugárzások detektálásához kapcsolódó - kísérleti technikákkal. Egy néhány milligramm tömegű minta besugárzásával megpróbáljuk kideríteni, milyen elemekből áll az, amit besugároztunk. Ezután a Paksi Atomerőmű primerkörének viselkedését bemutató szimulátor előtt ülve mindenkinek lehetősége lesz az erőművet irányítani: teljesítményét virtuálisan csökkenteni, növeli, sőt, üzemzavart előidézni is. Megpróbáljuk megérteni, mi is kell ahhoz, hogy egy atomerőmű biztonságosan működjön.

A reaktorba csak 16 éven felüliek léphetnek be, fényképes igazolvánnyal. A beléptetés hosszadalmas, ezért a mérés kezdete előtt negyed órával kérünk megjelenni a reaktornál.


Lézerfizika, spektroszkópia

Az Atomfizika Tanszék Optika laboratóriumának látogatása során olyan kísérleteket, mérési módszereket ismerhettek meg, amelyek során fény segítségével vizsgáljuk az anyag szerkezetének titkait, valamint megérthetitek néhány korszerű fényforrás működését.

Az anyag szerkezetének mélyebb megismerése, a mikrovilág fizikájának feltárása alig több mint száz éve vette kezdetét merőben új módszerek alkalmazásával. Míg a klasszikus fizika törvényeiről közvetlen tapasztalatok útján is meggyőződhetünk, addig az atomok felépítése, vagy a kvantummechanika szabályai csak igen közvetett megfigyelések, mérések segítségével ismerhető meg. A mikrovilág közvetett feltérképezésében nagy segítségünkre van a fény. Bohr atommodelljét (Nobel-díj: 1922) az tette sikeressé, hogy képes volt magyarázni a hidrogénatom által kibocsájtott fény színképében fellelhető vonalakat. A laborlátogatás során mi is kimérjük a hidrogéngáz színképvonalait. A színképvonal elemzés számos új elem felfedezését tette lehetővé, például a kisülési lámpákban máig használatos nemesgázok felfedezését Rayleigh számára (Nobel-díj: 1904) Szintén egy optikai mérés, az izzó testek által kisugárzott elektromágneses sugárzás tanulmányozása vezetett el Planck (Nobel-díj: 1918) hőmérsékleti sugárzás elméletének kidolgozásához.

A laborlátogatás során mi is mérni fogjuk a hőmérsékleti sugárzás spektrumát. Megvizsgálunk továbbá néhány különleges fényforrást. Megértjük, milyen körülmények szükségesek ahhoz, hogy lézerfényt állítsunk elő (Basov,Prokhorov, Townes Nobel díj: 1964), és milyen tulajdonságai vannak a lézerfénynek. Megtudhatjuk továbbá, miért volt óriási jelentősége a kék világító dióda kifejlesztésének, amiért Akasaki, Amano és Nakamura japán kutatók 2014-ben Nobel díjat kaptak.