Газировка поможет школьникам изучать радиацию
Эту аналогию можно использовать в лабораторных работах
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.
Работа вьетнамского преподавателя делает флуоресцентную визуализацию доступнее большему числу обучающихся
Преподаватель физики из Вьетнама рассказал, как с помощью лазерных указок, пива и кока-колы ему удалось провести дешевый опыт по флуоресцентной визуализации луковых клеток углеродными наноточками. Проделанная работа послужит наглядным лабораторным материалом для изучения школьниками и студентами современных методов визуализации биологических тканей, а также физики наночастиц. Исследование опубликовано в The Physics Teacher. Углеродные наноточки представляют собой частицы, состоящие из нанокристаллов графита либо аморфного углерода, диаметром не более 10 нанометров. Иногда углеродное ядро наноточек окружают какими-либо функциональными группами. Эти наночастицы обладают ценными люминесцентными свойствами, благодаря чему их применяют в самых различных областях, начиная от создания гарантийных меток и заканчивая медициной. Одним из источников для получения углеродных наноточек стали биологические материалы. Например, эти частицы добывают из помидоров. Их также можно найти в кока-коле и пиве. При этом ученые изучают как их токсичность, так и пользу для медицины, где наноточки можно использовать для доставки лекарств к раковым клеткам и для биологической визуализации. При лабораторных исследованиях углеродных наночастиц применяют целый комплекс аналитических методов. Так, просвечивающий электронный микроскоп дает информацию о морфологии наноточек, в то время как метод рентгеновской дифракции позволяет понять, как уложены атомы внутри них. Наконец, флуоресцентная спектроскопия позволяет связать свойства наночастиц со спектром их излучения. Большинство из этих методов довольно сложные и дорогие, что не позволяет познакомить с углеродными наноточками школьников и студентов младших курсов. Преподаватель физики Нго Кхоа Куанг (Ngo Khoa Quang) из университета Хюэ, Вьетнам, показал, что флуоресценцию углеродных наноточек все же можно увидеть с помощью подручных средств. Как правило, для таких частиц характерна стоксова люминесценция, то есть смещение излученного света в красную область по отношению к свету поглощенному. Оказалось, что чтобы это увидеть в кока-коле или пиве, достаточно осветить их светом коротких длин волн. На первом этапе эксперимента физик наливал в стаканы газировку марки Coca-Cola и пиво марки Budweiser и освещал их светом фиолетовой (405 нанометров) и зеленой (532 нанометра) лазерных указок. В рассеянном напитками свете можно было разглядеть следы зеленой и лазерной флуоресценции, соответственно. Для сравнения педагог повторил опыт с раствором оранжевого органического красителя, для чего ненадолго окунул в воду оранжевый маркер. В отличие от напитков, свет от раствора всегда оставался оранжевым независимо от длины волны накачки. В качестве следующего шага автор попытался использовать пивные и кока-кольные наноточки для флуоресцентной визуализации клеток в оптический микроскоп. Для этого он подготовил несколько стаканов с водой, колой, пивом и этиловым спиртом, куда в определенной последовательности макал очищенную луковую кожицу. Газированные напитки физик предварительно встряхивал, чтобы выгнать растворенный в них газ. Вода требовалась для промывки образца, а спирт — для вытеснения воды из клеток. Пропитанные напитками кожицы автор располагал на предметном столике микроскопа и фотографировал через кусочки цветного акрила, освещая их снизу указками. Оказалось, что качества таких самодельных фильтров и мощности указок недостаточно для визуализации клеток. Поэтому физик использовал лабораторные фильтры, а также более интенсивные лазерные указки на тех же длинах волн. В результате ему удалось заснять луковые клетки, освещаемые углеродными наноточками, для образцов, вымоченных в кока-коле и пиве, и не увидеть в контрольном образце. Пивная визуализация, правда, оказалась очень низкого качества. Автор связал это с тем, что алкоголь, содержащийся в пиве, мог препятствовать проникновению в клетки водного раствора наночастиц. Проделанное исследование — типичный пример того, как ученые и преподаватели стараются сделать «большую» науку доступнее. Мы уже рассказывали, как еда и другие подручные материалы позволяют дешево изучать диффузию, теплопроводность, композитные материалы, реологию, акустическую дисперсию и даже создавать целый учебный лабораторный комплекс по оптической спектроскопии.
