Fizikai Szemle 68/1 – 2018. január - PTE

2018/1

fizikai szemle

0,5 nm

Fizikai SzemleMAGYAR FIZIKAI FOLYÓIRAT

megjelenését támogatják: A FIZIKA BARÁTAI

Az Eötvös Loránd Fizikai Társulat havontamegjelenõ folyóirata.

Támogatók: a Magyar TudományosAkadémia Fizikai Tudományok Osztálya,az Emberi Erõforrások Minisztériuma,

a Magyar Biofizikai Társaság,a Magyar Nukleáris Társaság

és a Magyar Fizikushallgatók Egyesülete

Fõszerkesztõ:Lendvai János

Szerkesztõbizottság:Bencze Gyula, Czitrovszky Aladár,

Faigel Gyula, Füstöss László, Gyulai József,Horváth Dezsõ, Horváth Gábor, Iglói Ferenc,

Kiss Ádám, Németh Judit, Ormos Pál,Papp Katalin, Simon Péter, Sükösd Csaba,

Szabados László, Szabó Gábor,Szatmáry Zoltán, Trócsányi Zoltán,

Ujvári Sándor

Mûszaki szerkesztõ:Kármán Tamás

A folyóirat e-mailcíme:[email protected]

A lapba szánt írásokat erre a címre kérjük.

A beküldött tudományos, ismeretterjesztõ ésfizikatanítási cikkek a Szerkesztõbizottság,illetve az általa felkért, a témában elismert

szakértõ jóváhagyó véleménye utánjelenhetnek meg.

A folyóirat honlapja:http://www.fizikaiszemle.hu

A címlapon:A világ legkisebb (Guinness rekordok

könyve, 2005) kémcsövénekelektronmikroszkópos képe (AndreiKhlobystov, Nottinghami Egyetem).

A 4 nm3 (4××10−−24 liter) térfogatú, 1,2 nmátmérõjû egyfalú, egyik végén zárt

szén nanocsõben egy fullerénmolekula:

látható. Kamarás Katalin írásához.

TARTALOM

Tájékoztató az Eötvös Loránd Fizikai Társulat 2018. évi tagdíjairól 1

Gyulai József: Ionsugaras technikáktól a nanoszerkezetekig 3Egy kiemelkedõen sikeres életpálya tanulságai

Kamarás Katalin: Nanotartályok és nanoállványok 8Szén nanoszerkezeteken alapuló hibrid anyagok elõállításaés alkalmazási lehetõségei

Pekker Sándor, Földes Dávid, Kováts Éva, Bortel Gábor, Jakab Emma: 11Új szerves-fémkoordinációs vázszerkezetek

Miért váltak ezek az anyagok az anyagtudomány egyiklegintenzívebben kutatott anyagcsaládjává

Radnóti Katalin: Látogatás a csernobili atomerõmûben – 1. rész 16Atomerõmûvi balesetek áttekintése és a csernobili baleset részletei

VÉLEMÉNYEK

Patkós András: Megjegyzések a fizika szakterületi „Shanghaj-rangsorról” 22Milyen tényezõk alapján rangsorolják a világ egyetemeinek fizikaszakterületeit?

A FIZIKA TANÍTÁSA

Zátonyi Sándor: Színes kísérletek egyszerûen 25Az emberi színlátással, az additív és szubtraktív színkeverésselés a testek színével kapcsolatos, iskolai körülmények közt iselvégezhetõ kísérletek

Kilián Balázsné Raics Katalin, Sánta Imre, Knoch Júlia, 30Kovács Bence Tamás, Lovász Boglárka, Mester Ádám, Póla Márton,Szabó Dániel, Weisz Pál, Wensofszky Balázs: Fényutasok –Kvantumelektronika-szakkör, „lézerbarlang”-építés a gimnáziumpincéjében

Tanulók által épített lézeres élménypince és optikai jelenségeketbemutató hely a gimnáziumban

HÍREK – ESEMÉNYEK

Gábor Dénes-díj 2017 36

Solvay-konferencia, Brüsszel 2017 (Márk Géza ) 36

Az Eötvös Társulat kitüntetései és díjai – felhívás javaslattételre 36

J. Gyulai: From ion beam techniques to nanostructuresK. Kamarás: Nanocontainers and nanoscaffoldsS. Pekker, D. Földes, É. Kováts, G. Bortel, E. Jakab: New metal organic frameworksK. Radnóti: Excursion to the Chernobyl power plant – part I

OPINIONSA. Patkós: Some remarks to the “Shanghai Ranking” in physics

TEACHING PHYSICSS. Zátonyi: Simple experiments with coloursK. Kilián-Raics, I. Sánta, J. Knoch, B. T. Kovács, B. Lovász, Á. Mester, M. Póla,

D. Szabó, P. Weisz, B. Wensofszky: Quantum electronics study group –construction of a laser cave

EVENTS

A Mathematikai és Természettudományi Értesítõt az Akadémia 1882-ben indította

A Mathematikai és Physikai Lapokat Eötvös Loránd 1891-ben alapította

Fizikai SzemleMAGYAR FIZIKAI FOLYÓIRAT

LXVIII. ÉVFOLYAM, 1. (757.) SZÁM 2018. JANUÁR

FÉNYUTASOK

Kilián Balázsné Raics Katalin (1984) bio-lógia és fizika-környezettan tanár. A PTEÁOK Biofizikai Intézetében három évenkeresztül kutatott és oktatott. Kutatási té-mája az ultragyors fehérjedinamika lézer-spektroszkópiai monitorozása volt. Hároméve a pécsi Ciszterci Rend Nagy Lajos Gim-náziumában fizikát és biológiát tanít. Azinnovatív gondolkodást elõsegítõ tehetség-gondozásban, a fizika tantárgy népszerûsí-tésében elért eredményeiért 2017-ben aBME Pro Progressio díját vehette át.

Sánta Imre (1953) nyugalmazott, habilitáltegyetemi docens, lézerfizikus. 7 évig aszegedi JATE, 33 évig a Pécsi Tudomány-egyetem Fizikai Intézetének munkatársavolt. 10 évig vezette a pécsi lézeralkalma-zási innovációs központot. Fõ kutatási te-rületei a femtoszekundumos lézerspekt-roszkópia, a röntgenlézer, valamint a kvan-tumtitkosítás. Több tankönyvet írt, lézerek-rõl szóló, 10 részes filmsorozat szerzõje, apécsi Csodák Palotája egyik alkotója.

Az elsõ sorban balról: Póla Márton, Lovász Boglárka és MesterÁdám, hátul balról: Weisz Pál, Szabó Dániel, Kovács Bence Tamás,Knoch Júlia és Wensofszky Balázs.

Kvantumelektronika-szakkör – „lézerbarlang”-építés a gimnázium pincéjébenKilián Balázsné Raics Katalin – Ciszterci Rend Nagy Lajos Gimnáziuma, Pécs

Sánta Imre – PTE TTK Fizika Intézet

Knoch Júlia, Kovács Bence Tamás, Lovász Boglárka, Mester Ádám, Póla Márton,Szabó Dániel, Weisz Pál, Wensofszky Balázs – tanulók, Ciszterci Rend Nagy Lajos Gimnáziuma, Pécs

Magyarországon új lendületet kapott a lézerfizika aszegedi ELI szuperlézer építésével. Városunkban, aPécsi Tudományegyetem Fizikai Intézetében is ko-moly fejlesztõmunka folyik: az ELI egyetlen Magyar-országon összeállított részegysége készül, a tera-hertzes másodlagos fényforrás és spektrométer.

A pécsi Ciszterci Rend Nagy Lajos Gimnáziumábankét évvel ezelõtt egy osztálynyi 11. évfolyamos diák-kal lézeres akadálypálya építését céloztuk meg fizika-szakkörön – a filmekben látható biztonsági rendsze-rekhez hasonlót –, a fizika elõadóban. Hosszú hóna-pokon keresztül, délutánonként dolgoztunk a projek-ten. Eleinte lézerpointerekkel, saját kezûleg vágottfürdõszobatükrökkel, sötétítõ függönyökkel, füstölõ-vel próbálkoztunk. A lézerlabirintus kialakításáhozvégül megkaptuk az iskola pincéjét, amely tökélete-sen sötét (optikai kísérletekhez kiváló), ráadásul iga-zán vadregényes helyszín.

A PTE Fizikai Intézet lézeres tükröket és pozicio-nálható tükörtartókat kölcsönzött nekünk, és egy füst-gépet is vettünk. Innentõl kezdve felgyorsultak azesemények. Közel 40 diák több héten át tartó, szor-galmas munkájának köszönhetõen az iskola pincéjé-ben kiépítettünk egy ideiglenes akadálypályát. A diá-kok a gyakorlatban ismerték meg a lézerfény tulaj-donságait és a lézerbiztonsági elõírásokat. Megtanul-tak lencsékbõl teleszkópot építeni, hogy a lézernya-láb párhuzamos legyen. Elsajátították az együttmûkö-

dést, hiszen ha az egyik nyaláb elmozdult, nem jutottfény a másik tükörhöz, amit csak közösen tudtak or-vosolni. Kitartást tanultak, mert nap mint nap újra bekellett állítaniuk a nyalábutakat. A labirintus kiépítésesorán fejlõdött kreativitásuk. Megtanultak takarékos-kodni és költségtervet készíteni, hiszen a lézermuta-tókban levõ elemek hamar lemerültek, ezért akkumu-látorokat és töltõket vásároltunk. Felelõsséget tanul-tak: szemük védelme érdekében a lézerbiztonságielõírások betartásában szigorúak voltunk (az építke-zés során, még szemüvegben is nagyon kellett figyel-niük egymásra). Fénydetektorokat is építettünk, ame-lyek sípoló hanggal jelezték a nyaláb megszakítását. Adiákok a pincét csontvázakkal és borzalmas, ijesztõzenével öltöztették fel, hogy kellõen maradandó él-ményt nyújtson a látogatás.

Az elkészült ügyességi akadálypályán már a 2015-ös Lajos napon (a gimnázium diáknapja) több százdiáktársuk ment végig. Évrõl évre fejlesztettük a pin-cét: világítás, vészvilágítás és érintésvédelemmel ellá-tott konnektorok, újabb fényforrások, optikai éselektronikai játékok kerültek bele. Az iskolában min-dig akadt legalább egy osztálynyi lelkes és kitartódiák, akik folyamatosan részt vettek az akadálypályakiépítésének hosszadalmas munkálataiban.

A projektet újragondoltuk a PTE Fizikai Intézetmunkatársával, Sánta Imrével és az iskola vezetõségé-vel: célul egy véglegesen kiépített lézerbarlang – azoptika alapjelenségeit bemutató interaktív installá-ciókkal, számítógép-vezérelte lézeres kép- és hangef-fektusokkal, valamint elektronikusan vezérelhetõlézerbiztonsági megoldásokkal – berendezését tûztük

30 FIZIKAI SZEMLE 2018 / 1

ki. A barlang tehát optikai, hangtani és elektronikai

1. ábra. Lézerlabirintus1 (a fotót Szabó Zsolt 11.D osztályos tanulókészítette).

kísérletek színtere lesz.2016 õszén „Kvantumelektronika” névvel szakkört

hirdettünk, amelynek feladatköre a lézeres barlangkiépítése tudományos szempontból komoly alapo-zással, ismeretbõvítéssel, mérnöki és kutatói attitû-dök kialakításával. A szakkört ketten vezetjük, SántaImre és jómagam. Kis kutatócsoportunk feladata éstevékenysége messze túlmutat a középiskolás tan-anyagon.

1 Ez az írás szerepel a Fizikai Szemle http://fizikaiszemle.hu hon-lapján ingyen elérhetõ cikkek között. Ajánljuk, hogy a színes fény-képeket ott tekintse meg a tisztelt olvasó (szerkesztõ megjegyzése).

Az Emberi Erõforrások Minisztériuma által indítottÚtravaló Ösztöndíjprogram, Út a tudományhoz al-program (támogatás kódszáma: UT-2016-0041) 2017.évi pályázatán az iskola e szakkör támogatására750 000 forintot nyert. Június végére ezen összegetfelhasználva rendeztük be a barlangot úgy, hogy azév bármelyik napján üzembe tudjuk helyezni az opti-kai, illetve elektronikai installációkat.

A lézerlabirintus mellett több más kísérleti elrende-zés is helyet kapott és kap a barlangban, ezek a fizikaórán tanultakat hivatottak elmélyíteni, illetve túlmu-tatnak rajtuk. A továbbiakban szakkörös diákjainkmutatják be, magyarázzák el az egyes kísérleteket.

LézerlabirintusWeisz Pál, 11.C

Mi ez? – Lézer akadálypálya: a játék célja úgy eljutni apince egyik végébõl a másikba, hogy közben egyikfénysugár útját se szakítsuk meg (1. ábra ). A lézert –természetesen – a falra szerelt precíziós tükrökkel sokhelyen eltérítettük, hogy minél nehezebb legyen vég-rehajtani a feladatot. A fénysugarakat füstgép segítsé-gével tesszük láthatóvá. Az általunk használt vörös észöld színû nyalábokat a mennyezetre rögzített por-mentesen záródó dobozból indítjuk, és a pálya végé-rõl visszavezetjük a dobozba. Itt egy saját tervezésû ésépítésû érzékelõ áramkör figyeli, hogy a fénysugármegszakadt-e valahol. A doboztól UTP kábelbõl ké-

szített kommunikációs csatorna fut a fal mellett talál-ható – szintén saját készítésû – vezérlõpultig, amellyelaz egész berendezés mûködése irányítható.

Miért van erre szükség? – Ez egy biztonsági rend-szer. Ezek a lézerek nem kimondottan nagy teljesít-ményûek, 5 mW-osak. Tehát például egy papírlapotnem gyújtanak fel. Viszont, ha közvetlenül belenéz-nénk, maradandó károsodás érné szemünket. Ennekoka, hogy szemünk a párhuzamos fénysugarakat aretinára fókuszálja, ahol a teljesítménysûrûség – egy-ségnyi felületre jutó teljesítmény – nagyobb, így márképes lenne roncsolni a szöveteket. Ennek elkerülé-sére készült a biztonsági áramkör, amely kikapcsolja afényforrást, ha valamilyen tárgy akadályozza a sugár-menetet. Az ember fejének bármelyik része elõbb ér afény útjába, mint a szeme, így a közvetlen belenézéselõtt már ki van kapcsolva a fénysugár. De ha még-sem (beállítás közben), akkor ott van rajta a védõ-szemüveg.

Hogyan mûködik? – Amikor valami miatt megsza-kad a lézersugár, az érzékelõ fotodióda áramvezetésiképessége megváltozik és egy RS flipflopnak nevezettlogikai tárolót töröl. (Ez a digitális áramköri elem kétállapot „megjegyzésére” képes, attól függõen, hogy alegutolsó mûvelet beállítás vagy törlés volt, a kimene-ten logikai 1 vagy 0 érték jelenik meg, tehát bekap-csolja-e a lézert vagy sem). Ennek hatására a lézerkikapcsol, és a vezérlõpanelen található piros színûLED kigyullad. A berendezés újbóli mûködéséhezelõször az akadályt kell eltávolítani, majd a vezérlõpa-nelen újra kell indítani a lézert. A gombot megnyom-va a lézer bekapcsol, a szakadást jelzõ piros LED elal-szik és egy zöld színû LED jelzi a „memória” beállítá-sát. Két irányítóegység található a vezérlõpulton, ame-lyekkel a két különbözõ színû lézert egymástól füg-getlenül lehet vezérelni. A vezérlõpulton egy teszt-üzemkapcsoló is található, amelyet zárva a lézer ak-kor sem alszik ki, ha akadály kerül az útjába, a vissza-jelzõ zöld LED folyamatosan világít, a piros LED pedigitt is a fénysugár megszakadását jelzi. E funkciónak anyaláb pontos beállításakor van szerepe. A rendszermûködés vagy beállítás közbeni bármilyen rendelle-nességénél a vészkapcsolóval egy mozdulattal lekap-csolható.

A fény is lehet szétszórtFényinterferencia – Szabó Dániel, 10.E

Három, különbözõ színû lézert, vöröset (635 nm,8 mW), kéket (445 nm, 10 mW) és zöldet (532 nm,15 mW) helyeztünk egymás mellé. A lézerek elé egymotor által forgatott katedrálüveget raktunk. Ezeketegy mûanyag dobozba tettük és a mennyezetre erõsí-tettük, hogy közelrõl, közvetlenül ne lehessen bele-nézni. Egy sok eres (UTP) kábel segítségével az irá-nyítópultról mûködtetjük a ki- és bekapcsolást, vala-mint innen kapja az áramot is. Amikor a lézerekfénye megtörik a katedrálüvegen, akkor jól látható,hol oltják ki és hol erõsítik egymást az átfedõ hullámok

A FIZIKA TANÍTÁSA 31

(2. ábra ). Látványos háromszínû mintázatot látunk a

2. ábra. Felül a forgó katedrálüveg, mögötte a lézerekkel, alul ahárom színben játszó elhajlási mintázat (Szabó Zsolt fényképei).

3. ábra. A fény útja elgörbül.

4. ábra. Fényforrások és színes árnyékok.

falon, ami az üveg forgása miatt folyamatosan mozog,változik. Az interferencia-csíkok ugyanúgy a fény hul-lámtermészetét igazolják, mint amikor egy hajszálatvilágítottunk meg egy kis teljesítményû (<1 mW) lézer-mutatóval, és az elhajlás jelenségét (kétoldalt gyengülõsötét-világos csíkok) jól láthattuk a falon.

A fény egyenesen halad (amikor józan)Fényelhajlítás – Kovács Bence Tamás, 10.C

A fény általános iskolai tanulmányaink alapján egyenesvonalban terjed. Ám most a fénytörés jelenségének ésegy vízzel töltött, hosszú üvegtartály segítségével ga-rantáltan meginog hitünk eme állítás igazságában!Amint a tartályba nézünk, azt láthatjuk, hogy a bennehaladó, teljesen átlagos lézersugár pályája nem a meg-szokott módon viselkedik. A fénysugár ívesen elgörbül-ve a tartály aljának csapódik (3. ábra ), pedig kiindulásipontjában még a tartály alsó lapjával párhuzamosanhalad. De nem kell aggódni, nem az oktatási rendszerhibája, és a fizikával sincsen semmi probléma! Emejelenség magyarázata egyszerû: a tartályban lévõ folya-dék nem tiszta víz, hanem egy oldat (ebben az esetbencukoroldat), amelynek koncentrációjában gradiensvan. (Ez egy igen jól hangzó szó, és azt jelenti, hogyvalami a térben helyrõl-helyre változik, vagyis a tartályfelsõ részében a cukor koncentrációja szinte nulla, azalsó részében a pedig nagyon nagy.) Amennyiben is-merjük a fénytörés jelenségét, tudjuk, hogy a fény kö-zeget váltva egy bizonyos szögben – amelyet az adottanyag törésmutatója határoz meg – megtörik (és egy

része visszaverõdik). Esetünkben ahogy a cukor kon-centrációja folyamatosan nõ az oldatban, úgy nõ folya-matosan az oldat törésmutatója is. Ez a folyamatos vál-tozás eredményezi, hogy a fénysugár ívesen elhajlik acukoroldatban. Úgyhogy, csak ne ijedjünk meg, hanemélvezzük a fizika nyújtotta csodákat!

A kevert mindig jobban üt, mint a tisztaSzínösszeadás és színkeverés – Lovász Boglárka, 11.D

Három különbözõ színû lámpa (kék, zöld és piros)fényét egy lepedõre vetítettük. A lámpákat úgy rögzí-tettük a falhoz, hogy fényük a lepedõn metssze egy-mást. Azért kék, zöld és piros színûek, mert ezek azösszeadó (additív) színkeverés alapszínei, ilyen szín-érzékenységû receptorok (csapocskák) vannak sze-münkben, a retinán. Minden szín, amelyet szemünk-


kel látunk, e három szín különbözõ arányú kombiná-

5. ábra. A szivárványmodell.

6. ábra. Lissajous-görbék elõállítása.

ciója. Ha az egyik színt kitakarjuk, akkor a másik ket-tõ összegét kapjuk (például zöld kitakarása eseténpiros + kék = lila lesz).

Ha a lepedõ elé tesszük kezünket, három különbözõszínû árnyékot láthatunk: egy türkiz, egy lila és egysárga színût (4. ábra ). Azért ilyeneket, mert ahol a ke-zünk véletlenül kitakarja az egyik színt, ott a másikkettõ összeadódik. A türkiz színû árnyék a kék és zölderedménye, a lila szín a kék és piros keveréke, a sárgátpedig a zöld és piros hozza létre. Mindhárom fényfor-rást (színt) kitakarva az árnyék fekete. Ahol mind ahárom folt fedésben van, ott fehérnek látjuk a fényt.

Szivárvány-modell– Póla Márton, 9.B

„11Nézz a szivárványra, s dicsérd alkotóját, káprázato-san szép a pompájában. 12Átfogja fényével az égbolto-zatot, a Magasságbeli keze feszítette ki.” (Sirák fiakönyve, 43. fejezet)

A kísérleti elrendezés egy fehér fényû lámpából ésegy gömb alakú akváriumból áll. A lámpa fényét azakváriumra irányítjuk. Az akvárium – mint egy víz-csepp – a fehér fényt a szivárvány színeire bontja, amiegy kicsit távolabb lévõ fehér vászonra vetül (5. áb-ra ). Ha a lámpára lencsét rögzítünk, akkor a szivár-ványnak csak egy szelete látszik. Ha lencse nélkül vi-lágítunk az akváriumra, akkor – bár kicsit halványab-ban – a szivárvány teljes egészében, kör alakbanpompázik.

Lissajous-görbék– Knoch Júlia, 12.A

Környezetünkben minden mozog, rezeg. A különbö-zõ rezgések hatással vannak egymásra. Ha a rezgésekpárhuzamosak egymással és azonos frekvenciájúak,akkor erõsítik, illetve gyengítik, kioltják egymást; eztnevezzük interferenciának. Ha viszont a rezgésekegymásra merõlegesek, akkor is megfigyelhetõ egyérdekes jelenség: szuperpozíció speciális, úgyneve-zett Lissajous-görbéket eredményez. A Lissajous-gör-bék megjelenése elsõsorban a két rezgés frekvencia-arányától függ: ha az arány irracionális, a görbe nemtér vissza önmagába, ha viszont racionális, akkor zártlesz. Minél kisebb egész számokkal írható fel a kétfrekvencia aránya, annál egyszerûbb lesz a görbe ésannál hamarabb tér vissza önmagába.

A kísérletben a két egymásra merõleges rezgést kétegymásra merõlegesen forgó tükör biztosítja, amelye-ket szkennermotorok mozgatnak. Ezek egy-egy függ-vénygenerátorra vannak kötve, így egymástól függet-lenül változtathatjuk a tükrök mozgásának frekvenciá-ját. A két rezgés összeadása úgy történik, hogy azegyik tükröt lézerrel (405 nm-es 15 mW ibolya) vilá-gítjuk meg, ami visszaverõdve a másik tükörre esik, ésonnan is visszaverõdik. Innen a lézer fénye egy foszfo-reszcens ernyõre esik, ami az ibolya fényt elnyeli, éshosszabb hullámhosszú, zöld fényt bocsát ki. E kísér-letben láthatjuk a plafonra erõsített berendezésbõl afejünk felett haladó, eltérített ibolya színû lézerfényútját a levegõben, de a foszforencia – hosszú idejûutánvilágítás – jelenségét is megismerhetjük.

A két egymásra merõleges forgástengelyû eltérítõtükörre egy-egy hanggenerátort kötöttünk. Elõször kisfrekvenciájú szinuszjelekkel mutatjuk be a jelenséget(1–10 Hz). Ezen a nagyságrenden a kivetülõ lézerpöttymozgása lassú, a foszforeszcens ernyõn jól követhetõ alézerpötty helye, a görbe kirajzolódása (6. ábra ).

A következõ a 80–200 Hz-es tartomány, itt már alézerpötty mozgása olyan gyors, hogy a kirajzolt gör-be összefüggõnek látszik.


Elõször a kis számok arányára mutatjuk be a jelen-

7. ábra. Lissajous-görbék a) 1:1, b) 1:2, c) 8:9 frekvenciaarányok ésd) hamis hangköz esetén.

a) b)

c) d)

8. ábra. Hõkamerával készült felvételek. Balra a kéz, jobbra annaknyoma látható a pince felmelegített falán.

séget. Két, egyformán 100 Hz-es jel esetén a kirajzoló-dó görbe ellipszis (7.a ábra ) és két egyforma hangothallunk. Az egyik frekvenciát növelve, 1:2 aránynál(100 Hz, 200 Hz) a görbe a 7.b ábrához hasonló, ésoktávnyi a hangköz. 8:9 (160 Hz, 180 Hz) aránynálmár disszonáns hangközt: nagy szekundot, és az elõ-zõeknél jóval összetettebb görbét (7.c ábra ) kapunk.Ha pedig a hangközünk „hamis”, akkor még bonyo-lultabb görbe az eredmény (7.d ábra ).

A diákok a függvénygenerátorokat állítva maguk iskipróbálhatják, hogy pontosan miként változik a görbe.(Itt már levesszük a hangot, ami nagyon idegesítõ.)

Látni a láthatatlantVizsgálatok hõkamerával– Wensofszky Balázs és Mester Ádám, 8.A

„1Az ég büszkesége a fényes boltozat, az Úr dicsõségeragyog fenn az égen. 2A Nap, ha felragyog, ezt hirdeti:„Mily csodálatosak a Magasságbeli mûvei!” 3Déli ma-gasáról perzseli a földet, ki tudja ilyenkor hevét elvi-selni? 4A fûtött kemence égeti az embert, de három-szor jobban a Nap a hegyeket. Izzó sugarakat lövell kimagából, tüze elkápráztatja a szemet. 5Nagy az Úr, akiteremtette, szava irányítja gyors száguldását.” (Sirákfia könyve, 43. fejezet)

Feladatunk az volt, hogy megmutassuk különbözõtestek hõmérsékletét és annak eloszlását. A hõkameramûködésének alapja, hogy minden olyan test elektro-mágneses sugárzást bocsát ki, amely melegebb azabszolút 0 foknál, azaz −273 °C-nál. Ennek jelentõsrésze az emberi szem által nem látható, a −40 °C …+800 °C hõmérsékleteken körülbelül 8–15 μm hul-lámhosszúságú infravörös tartományba esik. Ez a

„fény” speciális anyagból készített szûrõvel jól elvá-lasztható a láthatótól. Érzékelése piciny (~20 mikronméretû) félvezetõ hõmérõkbõl kialakított pixel-detek-torral történik (például 512× 512). A hõkamera elekt-ronikája és programja a szokásos fényképezõgépek-hez hasonlóan regisztrálja az intenzitáseloszlást, ami-bõl a mikroprocesszor kiszámítja a hõmérséklet-el-oszlást (a hõsugárzás a hõmérséklet negyedik hatvá-nyával arányos), és azt kép formájában – az eltérõhõmérsékletû tárgyakat/felületeket – különbözõ szí-nekkel jeleníti meg. Ezt nevezzük termográfiának.Minél magasabb egy tárgy/felület hõmérséklete, annáltöbb infravörös sugarat bocsát ki az említett tarto-mányban.

A FLIR One típusú, okostelefonhoz csatlakoztatha-tó készülékünkkel demonstrálni tudjuk: ha például akezünket egy hidegebb felületre (egy felfüggesztettlepedõre vagy egy polcra) helyezzük és pár másod-percig ott tartjuk, akkor ujjaink melegétõl a felületegy, a környezetnél magasabb átlaghõmérsékletre állbe. Így a kéz elvétele után annak „hõlenyomata” afelületen kimutatható (8. ábra ). Továbbá kezünk se-gítségével bemutatjuk a víz párolgásának hõigényétés megmagyarázzuk, hogy a víz a halmazállapot-vál-táshoz a testünkkel való érintkezési pontokról nyerhõt. Vagyis lokálisan a testfelület lehûl. Interaktívabbjátékunk az, ha a pince legalsó részében hideg ésmeleg tárgyakat (forró vízzel töltött palack, alufóliábatekert 1,5 voltos elem, jégakku, jégkockákkal teli tar-tó) rejtünk el, és az érdeklõdõknek a teljes sötétség-ben hõkamera segítségével kell megkeresniük ezeket,így is mutatva, hogy az eszköz sugárzás alapján mér.

Lézerbiztonság

Külön fejezetben foglalkozunk a lézerek veszélyeivel,különösen azért, mert egyes kísérletekben nagyobbteljesítményû lézereket használunk, mint ami teljes-séggel veszélytelen lenne.

A 18 év alatti korú tanulók korlátozottan tehetõkfelelõssé a viselkedésükért, tehát – minden elõzeteskitanítás, errõl szóló nyilatkozat aláírása mellett is – atanár felelõssége egy esetleges baleset kizárása.


Emiatt azt javasoljuk mindenkinek, hogy a kísérletek-

9. ábra. Az általunk használt védõszemüveg abszorpciós spektruma.

1000200 300 400 500 600 700 800 900hullámhossz (nm)

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

OD

ben lehetõleg az 1-es, illetve 2-es lézerosztályba sorolt(1 mW-nál nem nagyobb teljesítményû), illetve látha-tó tartományban a szem védekezõ reflexével, a pis-lantással kivédhetõ expozíciót produkáló lézerekethasználjanak.

A látványpedagógia lényege a látvány, tehát célunkeléréséhez a fény útjának láthatónak kell lennie. Eztelvileg három módon lehet realizálni: vagy (i) na-gyobb teljesítményû nyalábot használunk, vagy (ii)kellõen sötét helyen építjük ki a rendszert, illetve (iii)megnöveljük a levegõ fényszórási képességét. A mipincénk szinte teljesen elsötétíthetõ, így viszonylagkis teljesítményû lézereket használhatunk. Kevéssésötétíthetõ helyen, illetve még látványosabb kísérletérdekében használhatjuk a harmadik megoldást, füst-(köd-) géppel – többnyire glicerin – párát fújunk alevegõbe. Ez utóbbi után célszerû hosszabban szel-lõztetni, mivel a pára mindenhova lerakódik, így ahasznált tükrökre, a lézerek kilépõ ablakára is, leront-va azok reflexióját, illetve nem kívánt szórást eredmé-nyezve, tisztításuk pedig elég körülményes.

Meg kell különböztetnünk a lézerbiztonsági ismere-tekkel nem rendelkezõ látogatókat, illetve a kísérlete-ket végzõ, beállító tanulókra vonatkozó szabályokat.Elsõ esetben semmilyen tudatos baleset-megelõzõ cse-lekedetet sem feltételezhetünk, tehát a legrosszabbeset feltételezésével kell a beállításokat, hozzáférése-ket, teljesítményszinteket beállítani.

A másik esetben – a kísérleteket tervezõ, megvaló-sító szakköri tagoknál – a részletes, a veszélyek ismer-tetése, bemutatása révén megvalósított kitanítássalfelelõs viselkedés várható el, amelynek betartatása atanár felelõssége. Az összes elõírt óvintézkedést to-vábbra is be kell tartani, így, ha az 1. vagy 2. osztály-beli lézerek teljesítménye nem lenne elegendõ, akkorkötelezõ a védõszemüveg használata.

A mi rendszerünk kiépítése, a tükrök beállításasorán – amíg az elektronikus védelem nem léphetettéletbe – védõszemüveget használtunk. A problémaaz, hogy a teljesen kizáró – egy adott hullámhosszra3–5 optikai sûrûségû (OD-jû), vagyis 10−3–10−5 transz-missziójú – szemüvegben nem látszik a lézerfény útja,helye, így idõnként le kell venni, oda a védelem.Ezért olyan szemüvegeket szereztünk be, amelyekszéles sávúak (vagyis minden lézerre, a használt 404–635 nm fényhullámhosszon közel azonos, 1 körüli

OD-vel rendelkeznek), és az esetlegesen szembe jutólézer teljesítményét a megengedett (1 mW) szint alácsökkentik, de a nyaláb látható marad.

Az általunk használt szemüveget hegesztéshez gyár-tották (szabványban rögzített abszorpcióval rendelke-zik: 5 SCS 1 DIN 0196 CE, abszorpciós spektrumukatlásd a 9. ábrán ) és nem mellesleg 1 nagyságrenddelolcsóbbak a speciális lézer védõszemüvegnél.

Lézerlabirintusunkban a benne közlekedõket üzem-szerûen érheti lézerbesugárzás. A hosszú, több tízmé-teres fényutak mellett a diffrakciólimitált, körülbelül 1mm átmérõjû nyalábok 10–30 mm-re szélesednek, aretinán keltett inger (a csökkenõ felületi teljesítmény-sûrûséggel arányosan) fokozatosan csökken. Ezértautomatikus biztonsági kikapcsolóval ellátott nagyobbteljesítményû lézert használunk (lásd fent). Az elektro-nikus védelmi rendszer személyi felügyelet mellettmûködik, a nyaláb megszakítása után emberi beavat-kozás (egy nyomógomb megnyomása) szükséges alézerek visszakapcsolásához, amit csak akkor tesz mega kezelõ, ha a labirintusban lévõ személy visszamegy akezdõ pozícióba, kikerül a fényútból. A felügyelõ sze-mély azt is észleli, ha az automatika nem megfelelõenmûködik (megszakítják a lézer útját, mégsem kapcsolle az elektronika) és a vészleállítóra rácsapva kikap-csolja az egész rendszert.

A rendszer meghibásodása – természetesen – sohanem zárható ki, ezért a kapcsoló dobozon külön vész-leállító van, ami az egész elektronikát, lézereketáramtalanítja; a bejövõ tápfeszültséget kapcsolja le. Ezígy együtt – az egészségügyi berendezésekhez hason-lóan – háromszoros védelem a szándékolatlan besu-gárzás elkerülésére: üzemi fõkapcsoló + elektronikusvédelmi rendszer + vészleállító.

A további installációinknál használt lézerek teljesít-ménye is meghaladja az 1 mW-ot, így potenciálisanveszélyesek lehetnek a szemre.

Az interferenciás (katedrálüveges) berendezés afejek felett, 2,5 m magasan van rögzítve, a 3 lézer nya-lábja már 10 cm után oly mértékben kitágul, hogymessze (2-3 nagyságrenddel) alatta marad a szab-ványban (MSZ EN 60825-1) rögzített, a szaruhártyánmegengedett maximális expozíció értékének (MPE),így még vele szemben állva is teljesen veszélytelen.

A Lissajous-görbéket kivetítõ 405 nm-es lézer isnagyobb teljesítményû (15 mW), szemünk érzékeny-sége erre a hullámhosszra több nagyságrenddel vanzöld fényé alatt, így csak oldalról látható. A lézert ésa fluoreszkáló ernyõt is 2,5 m magasan helyeztük el,és még az ernyõ fényes felületérõl visszaverõdõ,mintegy 4 százalék reflexió sem irányul lefelé, nohaaz már veszélytelen lenne (< 1 mW). A beállítás, fel-szerelés közben természetesen védõszemüveget kellhasználni.

A cukros vízben való – görbült – fényterjedés de-monstrálásához szintén kék, 445 nm-es lézerdiódáthasználtunk, 10 mW teljesítménnyel. Itt elvileg bármi-lyen színû fény jó lenne, de a fényszórás (90°-ban) ahullámhossz negyedik hatványával fordítottan arányos,azaz a kék fény szórt intenzitása a piros (635 nm) fé-


nyének több, mint négyszerese. Beállításkor itt is kö-telezõ a védõszemüveg viselése. Az üvegkádra merõ-legesen álló, rögzített lézerbõl nem lép ki veszélyesszintû lézerfény, a túloldalon esetlegesen kilépõ nya-lábot a téglafal elnyeli.

Megfelelõ óvintézkedésekkel – minden esetbenrámutatva a lézerek látásunkra veszélyes voltára – abalesetek, szándékolatlan besugárzás elkerülhetõk.

A kísérletek összeállításában részt nem vevõ láto-gatókat is figyelmeztetni kell ezen veszélyekre, és alézerekre figyelmeztetõ, a szabványokban elõírt táblá-kat kell elhelyezni a megfelelõ helyekre (terem ajtajá-ra, a lézerek kilépõ nyílásai mellé).

Összefoglalás

A kis létszámú szakköri csoportban folyó munka pá-lyaorientációs célzatú is. A szükséges alapok, tapasz-talatok biztosításával szeretnénk ablakot nyitni diák-jainknak a tudományos kutatásra és a mûszaki tudo-mányokra.

A lézeres barlang különleges színfolt az iskola éle-tében. Olyan hely diákjainknak, ahová nem léphetnekbe bármikor, mert titkos, zegzugos – ami mindig iz-galmas – úton kell odajutni. Egy sötét pince, ami még-is tele van fényekkel! Nem egy készen kapott játéktér,hanem a diákokkal közösen kigondolt, megtervezettés kialakított barlang. A megteremtéséhez elvégzettmunka öröme és haszna legalább olyan izgalmas éstanulságos, mint a végeredmény használatba vétele. Ahely mérete és szelleme természetesen magában hor-dozza a folyamatos munkálkodás és újabb ötletekmegvalósításának lehetõségét.

Az egész projektben pedig mindvégig benne rejlika játék, ami vonzóvá teszi az amúgy komoly elméletialapozást és gyakorlati megoldások nehézségét. Re-mélem, hogy az iskolai lézeres projekt résztvevõi kö-zül lesznek olyan fiatalok, akik nem csupán mûszakiés természettudományos irányban tanulnak tovább,hanem akár a lézerfizika mûvelõivé is válnak, az ELImunkatársai lesznek. Legalább ilyen fontos, hogybárhová is kerüljenek az életben, a természettudomá-nyok iránti érdeklõdésük megmaradjon.

HÍREK – ESEMÉNYEK

GÁBOR DÉNES-DÍJ 2017A Kuratórium döntése alapján immár 29. alkalommalodaítélt díjakat 2017. december 14-én, a ParlamentFelsõházi termében tartott ünnepségen adták át a ti-zennégy – közöttük három fizikus – díjazottnak.

A határainkon kívül alkotó szakemberek közülGábor Dénes-díjban részesült Bakos Gáspár fizikus,

csillagász, a Princeton Universityegyetemi tanára a más csillagokkörül keringõ bolygók és az idõtõlfüggõ jelenségek kutatásában, azautonóm kistávcsövek kifejleszté-sében és nemzetközi hálózatbaszervezésében, több földrészenvaló egyidejû mûködtetésében, azelsõ teljesen automata, homogéncsillagászati távcsõhálózat terve-zésében és megvalósításában vál-

lalt meghatározó, alkotó teljesítményéért, több mintszáz új exobolygó felfedezéséért, a magyar szakembe-rek nemzetközi tekintélyének növeléséért.

Gábor Dénes-díjban részesült Bozóki Zoltán Józseffizikus, egyetemi tanár, az Magyar Tudományos Aka-démia – Szegedi Tudományegyetem FotoakusztikusKutatócsoport tudományos tanácsadója, a lézeres fo-toakusztikus spektroszkópián alapuló, a földgáz fõbbszennyezõ komponenseinek (szén-dioxid, kénhidro-

gén, vízgõz) koncentrációjánakppm pontosságú, folyamatos mé-résére, ipari környezetben alkal-mas, a világ számos pontján meg-bízhatóan mûködõ mûszer kifej-lesztésében nyújtott meghatározó,alkotó tevékenységéért, a gyártás-ra specializálódott spin-off céglétrehozásában, növekedési pá-lyára állításában és vezetésébenvállalt szerepéért.

Gábor Dénes-díjas lett Koppa Pál Gábor fizikus, aBudapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Atomfizikai Tanszéke tanszékve-zetõ egyetemi tanára, a holografi-kus adattárolás, a háromdimen-ziós képmegjelenítés, az optikaiméréstechnika és a komplex opti-kai rendszerek modellezése terénvégzett kutatási-fejlesztési ered-ményeiért, az e körben szabadal-mazott találmányok létrehozásá-ban vállalt alkotó közremûködé-séért, a mûegyetemi fizikus- és

mérnökképzésben nyújtott, elismerésre méltó oktatóiés témavezetõi munkásságáért.


Documents

Fizikai Szemle 68/1 – 2018. január - PTE