Газировка поможет школьникам изучать радиацию

Группа педагогов из Испании предложила рассматривать выделение углекислого газа из газированных напитков в качестве модели радиоактивности. Применимость этой аналогии обусловлена экспоненциальным законом потери газа — ровно так же распадаются ядра. Проведенный эксперимент можно использовать в школах, где применение радиоактивных источников нецелесообразно. Исследование опубликовано в The Physics Teacher.

Явление радиоактивности затрагивает множество аспектов деятельности человечества, начиная от производства электроэнергии и медицины и заканчивая проблемой ядерных отходов и ядерного оружия. По этой причине его начинают изучать еще в школах.

Но, в отличие от прочих разделов физики, лабораторные работы для школьников по радиоактивности проводить затруднительно. Чтобы выйти из этой ситуации, учителя используют различные дидактические материалы и даже компьютерные симуляции. Другим подходом к решению этой проблемы стала работа с явлениями, похожими по своей динамике на радиоактивность и более подходящие для выполнения в школе, например, фосфоресценция.

Группа испанских педагогов во главе с Хабьером Сидом Видалем (Xabier Cid Vidal) из Университета Сантьяго-де-Компостела предложила использовать процесс выделения углекислого газа из газированных напитков в качестве лабораторной модели радиоактивности. Несмотря на то, что образование отдельных пузырьков газа в воде и его высвобождение — это комплексный процесс, подчиняющийся сложным системам уравнений, зависимость массы всего газа, оставшегося в жидкости, формируется стохастически и описывается довольно простым законом, схожим с законом распада ядер. В частности, скорость выделения прямо пропорциональна массе остатка, ровно так же, как число распадов ядер в единицу времени связано с числом нераспавшихся ядер. В обоих случаях решение дифференциального уравнения приводит к экспоненциальному уменьшению со временем.

Физики, тем не менее, обращают внимание на различия и особенности, которые следует учитывать при проведении эксперимента. Так, постоянная «распада» в случае с газировкой будет зависеть от температуры. Более того, помимо выделения углекислого газа, вода также будет испаряться и занижать измерения массы остатка. Для уменьшения последнего фактора авторы предлагают проводить опыт при низких температурах, хотя в другом варианте опыта можно использовать контрольный образец без газа. Наконец, педагоги отметили, что можно пренебречь и другими эффектами, например, влиянием других газов (кислорода, азота), растворенных в воде, а также угольной кислоты, которая может задерживать часть углекислого газа.

Для дидактических целей физики придумали номенклатуру «распадов», состоящую из символов и цифр и напоминающих таковую для ядер. Если в ядерной физике так записывают отдельные радиоактивные изотопы, например, Ra-226 или U-235, то здесь авторы решили обозначить тип напитка (Cc — кока-кола, Pe — пепси, Sp — спрайт) и его температуру в кельвинах.

Свой эксперимент они проводили для распада Cc-277, то есть кока-колы при температуре четыре градуса по Цельсию. Опыт заключался в измерении массы открытой банки с газировкой с помощью весов с погрешностью не более 0,1 грамма в течение нескольких часов. В начальный момент времени банка весила 357,2 грамма, а по истечении шести часов ее масса уменьшилась до 355,7 грамма и больше не изменялась. Зависимость массы от времени, построенная с шагом в полчаса, оказалась в хорошем приближении экспоненциальной, что позволило с помощью линейной регрессии в логарифмической шкале извлечь «период полураспада» газировки, равный 1,2 часа.

Ранее мы рассказывали, как кока-кола и другие продукты питания помогают педагогам изучать флуоресцентную визуализацию, поверхностное натяжение, теплопроводность и многое другое.