Bong bóng trong chất lỏng

19

Bong bóng trong chất lỏng

Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học
A. A. BOROVOY

Buồng bong bóng hoạt động như thế nào?

Vào đầu những năm 50 của thế kỷ 19, Donald Glaser, một nhân viên trẻ của Đại học Michigan (Mỹ), đã nghĩ ra một loại thiết bị mới ghi lại các hạt cơ bản. Nó được gọi là buồng bong bóng.*)

Hình 1 cho thấy một buồng chứa lọ hiện đại. Nội dung này chiếm một hội trường lớn cao vài tầng, chủ yếu là kỹ thuật phức tạp và được điều khiển bằng máy dẫn điện tốc độ cao. Nhiều bản cài đặt thậm chí còn có tên riêng: “Lyudmila”, “Mirabelle”, “Gargamel”, v.v.

*) Bạn có thể đọc về thiết bị này và các máy dò hạt cơ bản khác, chẳng hạn như trong cuốn sách của A. A. Borovoy “Cách các hạt được đăng ký” (M.: Nauka, 1981, loạt bài “Viblotechka «Kvant»)).

Tuy nhiên, những mẫu máy ảnh đầu tiên do Glaser sản xuất không thể gọi là máy in (Hình 2). Phần chính của chúng là một ống thủy tinh chứa ether có thể tích vài cm khối. Chất lỏng được làm nóng và chịu áp suất khoảng 20 atm (1 atm≈10⁵ Pa). Một thiết bị đặc biệt (cũng đơn giản) cho phép bạn nhanh chóng giảm áp suất, nhưng ether không sôi ngay lập tức. Nếu trong quá trình “chờ đợi” như vậy, một bộ phận tích điện chạy qua chất lỏng, để lại một vệt ion, thì bong bóng hơi sẽ xuất hiện dọc theo vệt đó. Sau khi chụp ảnh dấu vết, có thể tăng áp suất trở lại, bong bóng biến mất (bị nghiền nát) và thiết bị lại sẵn sàng để sử dụng.

Do đó, bong bóng trong chất lỏng hóa ra lại cực kỳ hữu ích cho vật lý hạt. Hình 3 cho thấy một trong những hình ảnh được chụp bằng camera bong bóng.

Tại sao các bong bóng xuất hiện chính xác trên đường đi của hạt?

Đầu tiên chúng ta hãy nhớ sôi là gì

Đun sôi là sự hình thành các bong bóng hơi trong toàn bộ thể tích chất lỏng, chúng phát triển và bùng lên trên bề mặt. Rõ ràng, để điều này xảy ra, áp suất hơi trong bong bóng phải lớn hơn áp suất trong chất lỏng (nếu không áp suất sẽ tách chúng ra). Mọi người đều biết rằng với tốc độ bình thường-

Cơm. 1. Buồng bong bóng hydro Mirabelle, dùng cho nghiên cứu tại Viện Vật lý năng lượng cao.

Cơm. 2. Vết tích của hạt cơ bản tích điện thu được trong buồng bong bóng Glaser thứ nhất.

20

Áp suất khí quyển sôi ở 100°C. Chính ở nhiệt độ này, áp suất hơi bão hòa trở nên đủ và chất lỏng sôi. Nhưng nó có luôn sôi không?

Hãy lấy hai ống nghiệm. Chúng tôi sẽ rửa thật kỹ một trong số chúng, đảm bảo rằng không có vết trầy xước hoặc vật lạ trên tường và đổ đầy nước cất (khoảng 10 cm³). Đổ cùng một lượng nước máy vào ống nghiệm thứ hai và ném một mẩu phấn vào. Chúng ta sẽ làm nóng các ống nghiệm trong cùng điều kiện và không tiếp xúc trực tiếp với lửa. Hóa ra nước trong chúng sẽ sôi khác nhau (Hình 4).

Trong ống nghiệm có nước máy, quá trình sôi bắt đầu sớm hơn và quá trình này sẽ diễn ra khá bình tĩnh và liên tục. Bong bóng hơi được hình thành chủ yếu trên một miếng phấn. Còn đối với ống nghiệm chứa nước cất, quá trình sôi trong ống nghiệm bắt đầu muộn hơn (ở nhiệt độ cao hơn) và sẽ diễn ra không đều. Bong bóng lớn hình thành trong chất lỏng; sự xuất hiện và sụp đổ của chúng kèm theo một tiếng va chạm lớn.

Trong phòng thí nghiệm, có thể làm sạch bình và nước (sử dụng nước cất hai lần) kỹ đến mức không xảy ra hiện tượng sôi cho đến khi đạt nhiệt độ 140 °C. Nếu bạn ném một hạt vào nước được gọi là quá nóng, một vụ nổ sẽ xảy ra - bong bóng hơi nước sẽ nhanh chóng hình thành. Các nhà hóa học nhận thức rõ về tính chất sôi này. Để quá trình

Cơm. 3. Ảnh chụp quá trình tương tác và biến đổi của các nguyên tố hạt trong buồng bọt hydro lỏng.

quá trình sôi diễn ra đều, không nổ, cái gọi là “nồi hơi” được đặt trong bình - các mảnh ống thủy tinh hoặc sứ, mảnh đá cẩm thạch, v.v.

Lời giải thích cho các tính chất được mô tả ở trên có liên quan đến sự hiện diện của sức căng bề mặt trong chất lỏng. Bề mặt của chất lỏng có thể được hình dung như một màng đàn hồi bị kéo căng. Lớp màng này có xu hướng co lại – lực căng của silicon có xu hướng làm vỡ bong bóng đã hình thành. Áp suất bổ sung *) do các lực này gây ra càng lớn thì bán kính của bong bóng càng nhỏ, do đó quá trình sôi trong chính phôi bị ức chế. Đây là lý do tại sao chất lỏng đồng nhất có thể bị quá nhiệt. Đồng thời, bất kỳ khuyết tật nào trong bản thân chất lỏng và những khuyết tật liên quan đến tạp chất lạ đều có điểm sôi. Những khiếm khuyết như vậy một phần được hình thành trên đường đi của hạt tích điện, đó là lý do tại sao nó trở thành nơi hình thành các bong bóng đầu tiên. Bây giờ rõ ràng rằng điều kiện quan trọng nhất để hoạt động của máy ảnh Glaser là tính đồng nhất của tín hiệu phát sóng và độ tinh khiết của mẫu.

Một số quan sát thú vị về bong bóng trong chất lỏng

Những quan sát như vậy có thể được xác minh bằng cách sử dụng nước có ga. Hành vi của nó đôi khi tương tự như hành vi của chất lỏng quá nhiệt. Câu hỏi ngay lập tức được đặt ra: tại sao và khi nào nước có ga có thể đóng vai trò là mô hình chất lỏng quá nhiệt?

Đối với người bán buôn, bạn sẽ cần một chai nước chanh, một chiếc ly, một cái thìa, đường và một miếng sô cô la (những nguyên liệu được liệt kê trong mọi trường hợp đều đảm bảo kết quả thí nghiệm ngon lành). Hãy bắt đầu bằng cách mở nhanh một chai nước, ngay lúc đầu sẽ có khói xuất hiện phía trên cổ chai. Điều này được kết nối với cái gì?

Bây giờ đổ nước vào ly và đợi cho đến khi bọt rơi xuống và chỉ có những bong bóng riêng lẻ nổi lên trong nước. Đóng kính thật chặt

*) Áp lực bổ sung lên bong bóng có thể được ước tính bằng công thức p=2σ/r, trong đó σ là hệ số căng bề mặt, r là bán kính của bong bóng. Áp suất này được tạo ra bởi chất lỏng trong mao quản ngay dưới bề mặt lồi (bán dương) (xem “Vật lý 9”, trang 94).

21

liền kề với nắp - sau một thời gian, khí thoát ra sẽ hoàn toàn dừng lại. Hãy mở kính và bong bóng sẽ xuất hiện trở lại. Tại sao?

Thêm một chút đường vào ly. Quá trình “sôi” của nước sẽ chậm lại và bọt sẽ xuất hiện trở lại trên bề mặt. Rõ ràng, nước vẫn chứa khá nhiều carbon dioxide. Điều gì đã ngăn cản việc phát hành nó và đường cát đóng vai trò gì ở đây? Có thể đạt được sự giải phóng khí nhanh chóng và sự xuất hiện của bọt bằng những cách khác, chẳng hạn như khuấy chất lỏng hoặc rót từ ly này sang ly khác.

Cuối cùng, lấy một miếng sô cô la nhỏ (hoặc một quả mọng) và ném vào ly. Sôcôla nặng hơn nước nên sẽ chìm xuống. Tại đây, bong bóng khí bắt đầu hình thành, và chúng giống như những chiếc phao, sẽ nâng sô cô la lên bề mặt. Bong bóng sẽ bay lên không trung, một miếng sô cô la sẽ lại rơi xuống đáy, v.v. Nếu không, bong bóng này sẽ nổi lên và việc lặn có thể được lặp lại tới mười lần.

Làm thế nào để trả lời các câu hỏi được hỏi?

Về cơ bản, toàn bộ lời giải thích về tính chất đáp số cho câu hỏi đầu tiên là tại sao nước có ga lại giống một chất lỏng quá nhiệt.

Chắc hẳn nhiều bạn biết cách làm nước có ga. Không, không phải theo cách công nghiệp mà theo cách thông thường tại nhà - sử dụng ống xi phông và ống đựng carbon dioxide (CO₂). Khí từ ống đựng dưới áp suất đi vào khoảng trống phía trên chất lỏng. Để nó nhanh chóng hòa tan trong nước, người ta đã gặp một ống hút. Sự hòa tan khí xảy ra trước khi đạt được trạng thái cân bằng.

Nếu nó không phản ứng hóa học với chất lỏng thì hàm lượng cân bằng (mật độ, nồng độ) của khí trong chất lỏng tỷ lệ thuận với áp suất của nó trên bề mặt.*)

(Các phương pháp tự làm khác để chế biến món “spongie” cũng được biết đến - bằng cách thêm nước chanh, nước trái cây uống, v.v. vào nước.)

Khi chúng ta nhanh chóng mở một chai nước có ga, khí dưới áp suất trên bề mặt sẽ nở ra nhanh chóng và đồng thời nguội đi. Hơi nước thoát ra cùng với nó ngưng tụ lại, tạo thành đám mây sương mù (khói). Sau khi áp suất trên bề mặt giảm đáng kể, khí carbon dioxide hòa tan trong nước bắt đầu rời khỏi nó, cả qua bề mặt khí-lỏng và thông qua sự hình thành bong bóng trong thể tích chất lỏng. Lúc đầu, sau khi mở chai, khi sự cân bằng đặc biệt bị xáo trộn và có lượng carbon dioxide dư thừa trong nước nhiều hơn, bong bóng dễ hình thành và có rất nhiều bong bóng. Do đó, chất lỏng bắt đầu sủi bọt. Dần dần bọt lắng xuống, mặc dù trong nước vẫn còn khí “dư thừa”. Nhưng bây giờ việc hình thành bong bóng rất khó khăn - nồng độ của các phân tử khí trở nên nhỏ hơn và phối hợp ngẫu nhiên với nhau, và rất khó để hình thành ngay một bong bóng không bị nghiền nát bởi lực bề mặt của bề mặt căng. Bong bóng chỉ bắt đầu phát triển ở những điểm không hoàn hảo trong nước và đây là vị trí thực tế trên bề mặt.

*) Trong trường hợp carbon dioxide và nước, tình hình có phần phức tạp hơn vì chúng phản ứng với nhau. Nhưng axit thu được là một hợp chất không ổn định và dễ bị phân hủy.

22

Có lẽ sẽ không khó khăn hơn cho người đọc khi giải thích tất cả các thí nghiệm tiếp theo.

Công dụng hoàn toàn bất ngờ của nước có ga

Chúng tôi bắt đầu bài viết này bằng câu chuyện về buồng bong bóng. Chúng tôi muốn kết thúc nó bằng câu chuyện về một ứng dụng khác của bong bóng, cũng như trong vật lý hạt cơ bản.

Vài năm trước, các nhà vật lý Liên Xô nghiên cứu tính chất của neutrino phải đối mặt với bài toán tiếp theo. Cần phải tách ra khỏi một thể tích lớn chất lỏng (hàng trăm lít) một số nguyên tử khí được hình thành trong thể tích này dưới tác động của bức xạ neutrino. Khí này có tính phóng xạ (neon-19) và các nguyên tử của nó phân rã trong vòng chưa đầy một phút. Do đó, theo nghĩa đen, chỉ trong vài giây, cần phải tìm 5-10 nguyên tử khí mà chúng đã biết trong số $10^{28}$ nguyên tử lỏng, vận chuyển chúng đến quầy và đếm chúng! Thoạt nhìn, bài toán có ​​vẻ không thể giải được.

Ý tưởng về nước lấp lánh đã ra tay giải cứu. Trước khi chiếu xạ, chất lỏng được bão hòa bằng carbon dioxide. Ngay sau khi chiếu xạ, thể tích được mở ra và chất lỏng được trộn mạnh bằng các lưỡi dao đặc biệt. Sự sôi sục dữ dội xảy ra, từ đó tạo ra một bề mặt mà qua đó các nguyên tử neon có thể thoát ra ngoài, tăng gấp mười nghìn lần. Khí carbon dioxide thoát ra mang chúng đi và được hấp thụ vào một bình khác (ở khoảng cách với dung dịch kiềm). Neon được thu vào một ống nghiệm đặc biệt và nhanh chóng trộn vào quầy. Toàn bộ quá trình mất chưa đầy hai mươi giây.

Tổng quát hóa các con số

(Để bắt đầu, xem trang 6)

Vì tính giao hoán không đúng với quaternion, tức là đẳng thức $xy=yx$ không phải lúc nào cũng đúng, nên phép chia quaternion $x$ cho quaternion $y$ có ​​thể xảy ra “ở bên trái” hoặc “ở bên phải”. Thương $z$ của việc chia quaternion $x$ cho quaternion $y$ tuân theo công thức

$$z=y^{-1}x. \tag{47}$$

Thương số của quaternion $x$ chia cho quaternion $y$ tuân theo công thức

$$z'=xy^{-1}. \tag{48}$$

Đối với các thương số này, chúng ta có công thức

$$yz=x; \quad z'y=x. \tag{49}$$

Lưu ý rằng trong số tất cả các quaternion có hàng trăm số thực. Đây đều là các quaternion $x$ trong đó $x_0$ là số thực tùy ý và các tọa độ còn lại bằng 0. Vì vậy, hàng trăm số quaternion là phần mở rộng của hàng trăm số thực.

Như đã đề cập, khi quaternion thay đổi, tính giao hoán không giữ được. Tất cả các quy luật tự nhiên khác áp dụng cho số thực và số phức vẫn giữ nguyên.

Bài tập 5. Đối với các bậc bốn $q_1=2+i+j$ và $q_2=1+2i-k$, hãy làm theo các bước $q_1+q_2, q_1q_2, q_1^{-1}q_2$ và giải phương trình $q_1z=q_2$.