صاعقه در بطری؟ یک یوتیوبر کاری کرد که فیزیک شوکه شود!

به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، اگر اکریلیک را به‌اندازهٔ کافی سریع بچرخانید و آن را با الکترون‌ها هدف بگیرید، طبیعت خودش اثر هنری‌اش را خلق می‌کند.

عبارت «صاعقه در بطری» معمولاً به‌عنوان استعاره‌ای برای چیزی نادر یا غیرقابل تکرار به‌کار می‌رود. اما در یک آزمایش تازهٔ یوتیوبی، سازنده‌ای با نام Electron Impressions این عبارت را به‌معنای واقعی کلمه به کار گرفت و با استفاده از یک شتاب‌دهندهٔ ذرات، ساختار‌هایی دائمی و شبیه صاعقه را درون یک استوانهٔ شفافِ اکریلیک ایجاد کرد.

نتیجه، یک شکل لیختنبرگ سه‌بعدی است؛ الگو‌های شاخه‌شاخهٔ الکتریکی که درون یک لوله منجمد شده‌اند و شبیه صاعقه‌ای به‌دام‌افتاده در بطری به نظر می‌رسند.

این سازنده در تولید شکل‌های لیختنبرگ تخصص دارد؛ او با شلیک الکترون‌های پرانرژی به مواد عایق مانند اکریلیک، این الگو‌ها را ایجاد می‌کند. الکترون‌ها به درون ماده نفوذ کرده و بار الکتریکی را در عمق آن انباشته می‌کنند. زمانی که این بار بعداً آزاد می‌شود، ماده از درون دچار شکست می‌گردد و الگو‌های درخت‌مانندی برجای می‌گذارد که مسیر شکست دی‌الکتریک را ترسیم می‌کنند.

تا پیش از این، چنین طرح‌هایی معمولاً به بلوک‌ها، ورق‌ها یا دیسک‌های تخت محدود بودند. آزمایش جدید این فرایند را به شکلی کاملاً استوانه‌ای گسترش داد.

چرا شتاب‌دهندهٔ ذرات ضروری بود

چالش اصلی در ساخت یک شکل لیختنبرگ استوانه‌ای به نحوهٔ رفتار الکترون‌ها درون مواد جامد بازمی‌گردد. وقتی الکترون‌ها از یک شتاب‌دهندهٔ خطی شلیک می‌شوند، بار خود را در عمقی قابل پیش‌بینی ــ که به انرژی‌شان بستگی دارد ــ در ماده ته‌نشین می‌کنند.

برای قطعات اکریلیک تخت، تمرکز بار در نزدیکی مرکز نسبتاً ساده است. اما در یک استوانه، تابش از تنها یک جهت باعث می‌شود الگو به‌طور ناهمگون و فقط در یک سمت شکل بگیرد.

از آنجا که خود شتاب‌دهنده قابل چرخاندن نبود، استوانهٔ اکریلیک باید زیر پرتو می‌چرخید. این کار تضمین می‌کرد که الکترون‌ها از تمام زوایا پیرامون محور مرکزی وارد شوند و توزیع شعاعیِ یکنواختی از بار ایجاد گردد.

این فرایند به کنترل بسیار دقیقی نیاز داشت. اگر استوانه خیلی آهسته می‌چرخید، بار به‌طور نامتوازن جمع می‌شد؛ اگر خیلی سریع می‌چرخید، میزان تابش کافی نبود.

استوانه با سرعتی حدود ۱۵۰ دور در دقیقه چرخانده شد تا در مدت کوتاه ۱ تا ۲ ثانیه چندین بار از زیر پرتو عبور کند. این سرعت به‌گونه‌ای محاسبه شده بود که تمام سطح، دوز یکنواختی از الکترون‌ها دریافت کند.

مهندسی برای تابش شدید

طراحی یک سازوکار چرخان برای استفاده درون شتاب‌دهندهٔ ذرات چالش بزرگ دیگری ایجاد می‌کرد. محیط تابشی آن‌قدر شدید است که بیشتر تجهیزات الکترونیکی مدرن تقریباً بلافاصله از کار می‌افتند. برای حل این مشکل، مجموعهٔ چرخان عمداً ساده و از قطعات مقاوم در برابر تابش ساخته شد.

یک موتور DC جاروبک‌دار که با یک باتری سرب-اسیدی ۱۲ ولت تغذیه می‌شد، سامانه را به حرکت درمی‌آورد. باتری‌های سرب-اسیدی به این دلیل انتخاب شدند که نسبت به گزینه‌های لیتیومیِ پرانرژی، مقاومت بیشتری در برابر تابش دارند.

همچنین از یک ورق نازک سرب برای محافظت از باتری استفاده شد، هرچند سازنده اشاره می‌کند که این کار شاید صرفاً یک اقدام احتیاطی اضافه بوده است. بیشتر اجزای سازه با چاپ سه‌بعدی و از پلاستیک PETG مشکی ساخته شدند؛ ماده‌ای که پیش‌تر قابلیت اطمینان خود را در برابر تابش‌های بالا نشان داده بود.

سامانهٔ غلتک‌ها شبیه غلتک‌های دستگاه هات‌داگِ فروشگاه‌های رفاهی بود. چرخ‌های چاپ‌شده و پلکانی، لولهٔ اکریلیک را محکم نگه می‌داشتند و در عین حال اجازه می‌دادند هنگام تابش، با سرعت و نرمی بچرخد.

از شارژ تا تخلیه

استوانهٔ اکریلیک که با قطر دو اینچ از ماده‌ای شفاف ماشین‌کاری شده بود، با استفاده از نرم‌افزار CAD طراحی شد. دو استوانهٔ یکسان ساخته شد تا در صورت سالم نماندن یکی در فرایند شارژ، جایگزین وجود داشته باشد. پس از نصب در محفظهٔ شتاب‌دهنده، یک دوربین گوپرو با محافظ تابشی، فرایند تابش را ضبط کرد و درخشش آبی چرنکوف را هنگام برخورد الکترون‌ها با اکریلیک ثبت نمود.

یکی از استوانه‌ها با موفقیت بار را انباشته کرد و بعداً با ضربه‌ای به پهلوی آن، عمداً تخلیه شد؛ این تخلیهٔ ناگهانی انرژی، الگو‌های صاعقه‌ایِ شاخه‌شاخه و یکنواختی را در سراسر لوله پدید آورد. استوانهٔ دوم بیش‌ازحد بار گرفت و زیر پرتو خودبه‌خود تخلیه شد که به ایجاد ساختار‌های درونی آشفته‌تر و غیرقابل پیش‌بینی انجامید.

وقتی این الگو‌ها از پشت سطح منحنی استوانه دیده می‌شوند، به‌دلیل شکست نور، بزرگ‌تر و دراماتیک‌تر به نظر می‌رسند؛ با اینکه تخلیه در واقع ساختاری توخالی و لوله‌مانند را درون قطعه شکل می‌دهد. آثار نهایی نشان می‌دهند که چگونه هندسه و فیزیک مواد می‌توانند با هم ترکیب شوند و یک پدیدهٔ الکتریکی آشنا را به شکلی سه‌بعدی و چشمگیر دگرگون کنند؛ و «صاعقه در بطری» را از یک استعاره فراتر ببرند.