Hoe kun je kosmische deeltjes en straling waarnemen? Door Belle, Luc en Kwint

INHOUDSOPGAVEN Wat houdt het HISPARC project in? Wat is kosmische straling? Wat is een shower? Hoe ontstaat hij? Hoe wordt hij gemeten? Wat is scintillatiemateriaal? Wat doet een fotomultiplier? Wat is een elektroscoop? Wat voor rol heeft die gespeeld bij de ontdekking van kosmische straling? Wat houdt het HiSparcproject in?

Wat houdt het HiSparcproject in? In het kader van HiSPARC is dit profielwerkstuk ontstaan. HiSPARC staat voor High School Project on Astrophysics Research with Cosmics. Het is dus een project dat zich bezighoudt met natuurkundige onderzoeken die verband houden met kosmische straling. Dat het project een Engelse naam heeft, geeft al aan dat het om een internationaal project gaat. In Nederland loopt het project vanaf 2003. Scholen die zich hebben aangesloten bij het onderzoek, hebben een detector op het dak van de school geplaatst. De detector meet kosmische straling. Er zijn inmiddels verschillende netwerken van detectoren gecreëerd. Hiermee wordt een grote hoeveelheid informatie verkregen, waardoor men steeds meer en steeds nauwkeurigere uitspraken kan doen over kosmische straling.

Wat is kosmische straling? De aarde staat bloot aan een voortdurend bombardement van deeltjes uit het heelal: kosmische straling. Deze deeltjes zijn kleiner dan atomen, maar ze kunnen extreem veel energie bezitten. Sommige hebben tien miljoen keer meer energie dan deeltjes die met een versneller in het laboratorium kunnen worden gemaakt. We weten weinig over de oorsprong van zulke kosmische deeltjes. Deeltjes met minder energie komen in grote aantallen van de zon. Ze zorgen soms voor een prachtig effect in de atmosfeer, dat met het blote oog zichtbaar is aan de nachtelijke hemel: het poollicht, Aurora Borealis (noorderlicht) of Aurora Australis (zuiderlicht). Dit ontstaat wanneer zwermen zonnedeeltjes bij een van de polen onze dampkring binnendringen. De deeltjes met de hoogste energie kunnen echter niet van de zon komen. De natuurlijke processen in de zon zijn daar gewoon niet sterk genoeg voor. Welke natuurverschijnselen in het heelal wel zulke deeltjes kunnen produceren is vooralsnog een raadsel. Evenmin weten we waar in het heelal deze extreem energierijke kosmische straling ontstaat. Het enige wat we kunnen zeggen is, dat de hoogst-energetische deeltjes uiterst zeldzaam zijn: bovenaan de dampkring komt er jaarlijks per vierkante kilometer gemiddeld niet meer dan een zo’n deeltje binnen.

Welke deeltjes komen voor in de kosmische straling? De samenstelling van kosmische straling kan ons helpen bij de zoektocht naar de oorsprong ervan. Hoewel kosmische deeltjes van ver in het heelal komen, zijn het dezelfde subatomaire deeltjes waaruit ook de aardse materie bestaat. Atomen zijn opgebouwd uit protonen, neutronen en elektronen. De lichtere elektronen zwermen rond de atoomkern, waarin zich de protonen en neutronen bevinden. Het aantal protonen bepaalt de atoomsoort. Het lichtste atoom is waterstof, met een enkel proton in de kern; daarna komt helium met twee protonen en twee neutronen. Elektronen, protonen en zwaardere atoomkernen komen ook als vrije deeltjes in de natuur voor. Zo’n 75 % van alle kosmische straling bestaat uit waterstof (protonen), en bijna 25 % uit heliumkernen, ook bekend als alfadeeltjes. De rest bestaat uit elektronen, zwaardere atoomkernen, en gammastraling, een zeer energetische vorm van Röntgenstraling. Er zijn geen aanwijzingen dat de meest energetische kosmische straling een afwijkende samenstelling heeft, maar bedenk wel dat hiervan tot nu toe maar heel weinig uit metingen bekend is.

Wat is een shower? https://www.youtube.com/watch?v=yPWgK0s2K78 Meteorenzwermen, meteorenstormen of sterrenregens zijn zwermen van meteoren, vaak afkomstig van stof en gruis achtergelaten door kometen. Wanneer een komeet in de buurt van de zon komt, gaat het ijs verdampen en via geisers door de korst van de komeet breken. Het stof dat hierbij vrijkomt, kan later een meteorenzwerm veroorzaken. Deeltjes afkomstig van eenzelfde komeet volgen alle ongeveer dezelfde baan. Wanneer de aarde de baan van zo'n zwerm stofdeeltjes kruist, wordt onze planeet getroffen door een "bombardement" van stofdeeltjes, zodat er meer meteoren dan normaal zichtbaar zijn. Op dat moment zeggen we dat een meteorenzwerm actief is. Bekende meteorenzwermen zijn onder meer de Perseïden, Leoniden, Geminiden, Draconiden en Quadrantiden. Interessant bij een meteorenzwerm is dat alle deeltjes uit dezelfde richting komen. Door het perspectiefeffect lijkt dan alsof de trajecten van de veroorzaakte meteoren, bij achterwaartse verlenging, uit eenzelfde punt lijken te komen (net zoals de sporen van een lange, rechte spoorweg). Dit punt noemt men de radiant van de zwerm. Meteorenzwermen worden doorgaans genoemd naar het sterrenbeeld waarin hun radiant gelegen is. Omdat in de paar dagen dat een zwerm te zien is de aarde verder trekt in zijn baan verschuift de radiant enigszins. In de loop der tijd zullen de meteoroïden zich gelijkmatig over de hele baan verdelen, zodat de meer of mindere concentratie van de deeltjes een aanwijzing geeft omtrent de ouderdom van de zwermen (Perseïden gelijkmatig verdeeld, oude stroom, Giacobiniden ongelijkmatig, jonge stroom).

Hoe ontstaat een shower? Een shower (ook wel een meteorietenzwerm) ontstaat wanneer zwaarbeladen kosmische deeltjes tegen de dampkring van de aarde aankomen. De kosmische deeltjes komen van planeten, de zon en meteorieten af. Hoe kun je showers meten? Om showers te kunnen meten / waarnemen zijn detectoren nodig (apparaten waarmee je showers kan opsporen). Een detector is een apparaat of onderdeel van een apparaat, waarmee de aanwezigheid van een bepaalde stof, van bepaalde deeltjes, van een signaal of van een ander verschijnsel kan worden vastgesteld. Het begrip omvat deels het begrip sensor.

Wat is scintillatiemateriaal In de detectoren zit scintillatiemateriaal, dit is een soort plastic dat een lichtflits geeft als er een geladen deeltje doorheen vliegt. Een deeltje met veel energie geeft een sterkere lichtflits. Het licht komt in een fotoversterkerbuis. Hier wordt het licht omgezet in een elektrisch signaal, dit signaal is echter te klein om direct te gebruiken, dus wordt het ook versterkt. De elektrische signalen worden opgeslagen in een computer met behulp van een oscilloscoopkaart. Een oscilloscoop (kortweg scoop, vroeger ook wel kathodestraaloscillograaf) is een meetinstrument uit de elektrotechniek dat cyclische variaties in een elektrische grootheid goed zichtbaar kan maken. De oscilloscoop is één van de meest universele elektronische meetapparaten.

Wat doet een fotomultiplier? Een fotomultiplicator, (ook fotomultiplier (buis), photomultiplier tube, of fotoversterkerbuis genoemd) is een elektronenbuis waarmee zeer zwakke lichtsignalen of zelfs individuele fotonen kunnen worden gemeten. Een fotomultiplicator bestaat ruwweg uit een buis met een kathode (fotokathode), een anode en tussenliggende dynodes. Een invallend foton maakt door het foto-elektrisch effect een elektron vrij in de fotokathode. Elke dynode heeft een hogere potentiaal dan de kathode, daardoor worden de vrijgemaakte elektronen versneld in de richting van de dynode. Wanneer de vrijgekomen elektronen met hoge snelheid botsen met de dynode, komen er meer elektronen vrij. Dit verschijnsel noemt men secundaire emissie. De elektronen worden dan naar de volgende dynode versneld, waar het proces zich herhaalt en nog meer elektronen worden vrijgemaakt. Een fotomultiplicator bevat een aantal van deze "trappen", en bij iedere trap wordt het aantal elektronen vergroot. Met acht tot tien dynodes komen er uiteindelijk voldoende elektronen vrij om op de anode een meetbaar signaal op te leveren. Men kan een fotomultiplicatorbuis koppelen aan een scintillator, zoals in de afbeelding. Een scintillator is een materiaal dat deeltjes met een hoge energie absorbeert en hun energie in fotonen met een bepaalde golflengte omzet. Op deze manier kan men de fotomultiplicator gebruiken om ioniserende straling te meten, zoals in de scintillatiemeter.

Wat is een elektroscoop? Een elektroscoop is een toestel om elektrische lading te meten of te tonen. Het bestaat meestal uit twee bladen uit lichte metalen folie. De folie is verbonden met geleiders. De te meten lading vloeit langs de geleiders naar de bladen. Daardoor gaan de twee bladen elkaar afstoten volgens de wet van Coulomb. Tussen de bladen is er een mechanische terugroepende kracht, meestal de zwaartekracht, of doordat de folie zelf als veer werkt. Hoe groter de lading, hoe verder de bladen zich van elkaar verwijderen. Op een schaal is het mogelijk om de lading af te lezen. Als meetinstrument is de elektroscoop weinig praktisch. De nauwkeurigheid is te klein. De elektroscoop wordt wel veel gebruikt in onderwijs, om de lading aanschouwelijk te maken.

Wat voor rol heeft een elektroscoop gespeeld bij de ontdekking van kosmische straling? De elektroscoop speelde een belangrijke rol bij de ontdekking van zowel radioactiviteit als kosmische straling. Met behulp van een eenvoudige elektroscoop ontdekten Pierre en Marie Curie de elementen radium en polonium. Radioactieve straling uit deze elementen is namelijk in staat om een zeer goed geïsoleerde elektroscoop te ontladen, omdat straling de lucht erom heen ioniseert. Probleem was dat de ontlading ook optrad als er geen radioactieve bron aanwezig was. Daarom werd gedacht dat die ontlading werd veroorzaakt door radioactiviteit afkomstig uit de aardkorst zelf. Om deze veronderstelling te testen besloot de Duitse jezuïetenpater Theodor Wulf met een door hem ontwikkelde elektroscoop in 1910 de ontlading te meten zowel op de grond als bovenop de 300 meter top van de Eiffeltoren. De gedachte was dat op de top geen of nauwelijks ontlading te meten zou zijn omdat de luchtlaag alle aardse straling zou absorberen. Echter, Wulf ontdekte dat de ontlading geenszins was afgenomen maar zelfs iets was toegenomen. Een verklaring hiervoor kon hij niet geven. Het was de Oostenrijkse natuurkundige Victor Franz Hess die de resultaten van Wulf verder testte door met een heteluchtballon nog hoger te gaan. Met een elektroscoop aan boord mat Hess dat de straling op 5 km hoogte bijna het dubbele was dan op de grond. Hieruit concludeerde hij dat de straling van buiten de atmosfeer afkomstige moest zijn, ofwel Höhenstrahlung (later kosmische straling), waarvoor hij in 1936 de Nobelprijs kreeg.

Experiment: elektroscoop Benodigdheden: pot met deksel, paperclip, aluminiumfolie en een pvc-buis Wat je doet: je vouwt een paperclip uit en houdt de grote hoek gesloten, je prikt een gaatje in de deksel, je frommelt een stukje aluminiumfolie tot een bolletje, je knipt een stukje van ongeveer 0,5 cm van het aluminiumfolie die vouw je doormidden en knipt bij de vouwlijn bij de hoekjes er 2 driehoekjes uit. Die doe je over de paperclip en die doe je door de deksel. Je wrijft er met een doekje omheen waardoor er een elektrische lading ontstaat. De buis houdt je nu vlakbij de prop van het aluminiumfolie. Wat gebeurd er? Door de negatieve deeltjes van de pvc-buis en het aluminiumfolie zet het net als de 2 polen van elkaar af. `De 2 zijdes van het stukje folie bewegen nu dus uit elkaar.