본 연구에서는 핵물리학 실험에 활용할 목적으로 기존의 안개상자 실험 장치를 개선하여 펠티에 소자를 이용한 새로운 안개상자 실험 장치를 개발하였다. 개발된 안개상자 실험 장치와 캠코더를 활용한 실험을 통해 우주선 비적을 관찰하고 측정된 자료를 비교 분석하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 첫째, 기존의 안개상자 실험 장치는 우주선 비적이 발생되는 빈도가 낮고 따라서 발생된 우주선 비적을 육안으로 관찰하기가 매우 어려웠다. 그러나 본 연구에서 새로 개발한 안개상자 실험 장치는 우주선 비적이 발생되는 빈도가 높고, 실험에 캠코더를 함께 활용하면 발생된 우주선 비적을 편리하고 뚜렷하게 관찰할 수 있었다. 둘째, 본 연구에서 개발한 안개상자 실험 장치를 이용한 실험에서 이소프로판올 $1.04{\times}10^{-5}$$ml{\cdot}mm^{-3}$ 이상을 사용하고, 안개상자내의 냉각플레이트 상부 1 mm 지점의 온도가 5$^{\circ}C$ 이하가될 때 우주선 비적이 잘 발생되는 최적조건임을 확인하였다. 셋째, 본 연구에서 개발한 안개상자 실험 장치에서 안개상자내의 냉각플레이트의 온도를 전류의 세기에 의해 자동으로 제어할 수 있는 시스템이 개발된다면 더 정확하고 개선된 안개상자 실험 장치를 만들 수 있을 것이며, 그 결과 핵물리학 실험 또는 방사선 종사자 교육에서 개발된 안개상자 실험장치가 쉽게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 핵물리학 실험에 활용할 목적으로 기존의 안개상자 실험 장치를 개선하여 펠티에 소자를 이용한 새로운 안개상자 실험 장치를 개발하였다. 개발된 안개상자 실험 장치와 캠코더를 활용한 실험을 통해 우주선 비적을 관찰하고 측정된 자료를 비교 분석하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 첫째, 기존의 안개상자 실험 장치는 우주선 비적이 발생되는 빈도가 낮고 따라서 발생된 우주선 비적을 육안으로 관찰하기가 매우 어려웠다. 그러나 본 연구에서 새로 개발한 안개상자 실험 장치는 우주선 비적이 발생되는 빈도가 높고, 실험에 캠코더를 함께 활용하면 발생된 우주선 비적을 편리하고 뚜렷하게 관찰할 수 있었다. 둘째, 본 연구에서 개발한 안개상자 실험 장치를 이용한 실험에서 이소프로판올 $1.04{\times}10^{-5}$$ml{\cdot}mm^{-3}$ 이상을 사용하고, 안개상자내의 냉각플레이트 상부 1 mm 지점의 온도가 5$^{\circ}C$ 이하가될 때 우주선 비적이 잘 발생되는 최적조건임을 확인하였다. 셋째, 본 연구에서 개발한 안개상자 실험 장치에서 안개상자내의 냉각플레이트의 온도를 전류의 세기에 의해 자동으로 제어할 수 있는 시스템이 개발된다면 더 정확하고 개선된 안개상자 실험 장치를 만들 수 있을 것이며, 그 결과 핵물리학 실험 또는 방사선 종사자 교육에서 개발된 안개상자 실험장치가 쉽게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
In this research, we developed the newly cloud chamber apparatus by using Peltier device to apply nuclear physics experiment in high school or university. We observed the cosmic rays track by using the developed apparatus and a camcorder. And we compared and analyzed the acquired data. From the resu...
In this research, we developed the newly cloud chamber apparatus by using Peltier device to apply nuclear physics experiment in high school or university. We observed the cosmic rays track by using the developed apparatus and a camcorder. And we compared and analyzed the acquired data. From the results, we acquired the following conclusions and suggestions : First, it is very difficult to observe the cosmic rays track in the typical cloud chamber because of the low frequency of it. But in the newly developed cloud chamber we can observe easily the cosmic rays track owing to the high frequency of it. Second, when we do the experiment with the newly developed apparatus, we found that the cosmic rays track happens well under the condition that the temperature of the upper place of cooling plate must be below 5$^{\circ}C$ with more than isopropanol $1.04{\times}10^{-5}$$ml{\cdot}mm^{-3}$. Third, the newly developed apparatus will be improved to have better precision by controling the temperature of cooling plate in the cloud chamber by current intensity. Therefore we think that it is very useful to use the newly developed apparatus in the nuclear physics experiment in highschool or university.
In this research, we developed the newly cloud chamber apparatus by using Peltier device to apply nuclear physics experiment in high school or university. We observed the cosmic rays track by using the developed apparatus and a camcorder. And we compared and analyzed the acquired data. From the results, we acquired the following conclusions and suggestions : First, it is very difficult to observe the cosmic rays track in the typical cloud chamber because of the low frequency of it. But in the newly developed cloud chamber we can observe easily the cosmic rays track owing to the high frequency of it. Second, when we do the experiment with the newly developed apparatus, we found that the cosmic rays track happens well under the condition that the temperature of the upper place of cooling plate must be below 5$^{\circ}C$ with more than isopropanol $1.04{\times}10^{-5}$$ml{\cdot}mm^{-3}$. Third, the newly developed apparatus will be improved to have better precision by controling the temperature of cooling plate in the cloud chamber by current intensity. Therefore we think that it is very useful to use the newly developed apparatus in the nuclear physics experiment in highschool or university.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 고등학교 및 대학교의 핵물리학 실험 나아가서는 방사선 종사자 교육에 활용할 목적으로 기존의 안개상자 실험 장치를 개선하여 펠티에 소자를 이용한 새로운 안개상자 실험 장치를 개발하였다. 개발된 안개상자 실험 장치와 캠코더를 활용한 실험을 통해 우주선 비적을 관찰하고 측정된 자료를 비교·분석하였다.
이에 본 연구에서는 우주선 비적 관찰을 용이하게 할 수 있는 보다 개선된 안개상자를 개발하는데 그 목적을 두었으며, 더 나아가서는 우리 주변에는 항상 방사선이 존재하며[2] 방사선과 함께 생활하고 있음을 체험하게 함으로써 방사선에 대한 막연한 두려움을 해소하고자 하는데 있다.
제안 방법
둘째, 새로이 제작된 안개상자를 이용하여 실험을 실시하고, 이를 기존 안개상자와 비교하여 새로운 안개상자의 유용성을 검증한다.
위와 같은 측정을 10회 반복했을 때, 온도의 편차가 가장 적었던 곳은 바닥에서 1 mm 떨어진 지점이었다. 따라서 본 연구에서는 안개상자의 온도에 따른 최적조건을 찾는 위치를 바닥에서 1 mm인 지점을 선택하였다. 그림 6은 1 mm 지점에서 시간에 따른 온도변화를 나타낸 것이다.
안개상자 내부온도에 관한 최적조건을 찾기 위해 상자 바닥에서부터 1 mm 간격으로 온도센서를 올리면서 바닥에서 3 cm까지 상자 내부의 온도를 측정하였다. 바닥에서 3 cm 까지만 측정한 이유는 방사선에 의한 궤적 발생이 3 cm 이상에서는 일어나지 않았기 때문이다.
데이터처리
개발된 안개상자 실험 장치와 캠코더를 활용한 실험을 통해 우주선 비적을 관찰하고 측정된 자료를 비교·분석하였다.
성능/효과
① 알코올의 종류에 따른 실험의 최적조건 : 같은 실험 조건에서 이소프로판올을 사용하여 실험할 때가 메탄올과 에탄올을 사용하여 실험할 때 보다 우주선의 비적이 더 뚜렷하게 관찰되었다. 이는 이소프로판올((CH3)2CHOH)의 몰질량(60 g)이 에탄올(C2H5OH)의 몰질량(46 g)이나 메탄올(CH3OH)의 몰질량(32 g)에 비해 커서 광학적 밀도가 크기 때문에 방사선과의 충돌이 더 많이 일어나기 때문인 것으로 보인다.
② 알코올 양에 따른 실험의 최적조건 : 알코올의 양이 1.04×10-5 ㎖·㎜-3 이상이 되면 시간적 차이만 있을 뿐 우주선의 비적이 빈번하게 발생함을 관찰할 수 있었다.
그림 6은 1 mm 지점에서 시간에 따른 온도변화를 나타낸 것이다. 그림에서 안개상자의 냉각장치를 가동한 후 20~25분이 경과하고, 상자내의 냉각플레이트 상부 1 ㎜지점의 온도가 5℃이하가 될 때 우주선 비적이 빈번하게 발생하는 최적조건임을 확인할 수 있었다.
둘째, 새로이 개발된 안개상자 실험 장치를 이용한 실험에서 이소프로판올 1.04×10-5 ㎖․㎜-3 이상을 사용하고, 안개상자내의 냉각플레이트 상부 1㎜ 지점의 온도가 5℃ 이하가 될 때 우주선 비적이 잘 발생되는 최적조건임을 확인하였다.
이는 안개를 발생시킬 수 있는 최적의 조건을 조절하기 힘들었기 때문이다. 새로이 개발된 안개상자 실험 장치 펠티에 소자를 이용하여 외부에서 가해주는 전류를 조절함으로써 안개를 발생시킬 수 있는 최적의 조건을 임의대로 조절이 가능하기 때문에 우주선 비적이 발생되는 빈도가 높았다.
후속연구
셋째, 새로이 개발된 안개상자 실험 장치에서 안개상자 내의 냉각플레이트의 온도를 전류의 세기를 자동으로 제어할 수 시스템 개발이 이루어진다면 더 정확하고 개선된 안개상자 실험 장치를 만들 수 있을 것이며, 그 결과 고등학교 및 대학교의 핵물리학 실험 또는 방사선 종사자 교육에서 개발된 안개상자 실험장치가 쉽게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Coulier는 수증기의 응결과정을 위해서는 무엇이 필요하다는 것을 발견하였는가?
1875년 Coulier는 수증기의 응결과정을 위해서는 먼지분자가 필요하다는 것을 발견하였다. 그리고 Wilson(1897)은 어떤 특정한 상태에서 전기를 띈 이온도 구름을 형성하는데 중요한 역할을 할 수 있다는 것을 실험으로 입증하였다[1].
Wilson이 구름에 관해 실험적으로 입증한 것은 무엇인가?
1875년 Coulier는 수증기의 응결과정을 위해서는 먼지분자가 필요하다는 것을 발견하였다. 그리고 Wilson(1897)은 어떤 특정한 상태에서 전기를 띈 이온도 구름을 형성하는데 중요한 역할을 할 수 있다는 것을 실험으로 입증하였다[1]. Wilson은 확장상자 속에 먼지가 많고 습한 공기로 채우면 미세한 확장으로 인해 짙은 안개를 만들어진다는 사실을 발견하였다.
Wilson의 안개상자에 대해 Rutherford는 어떻게 평가하였는가?
Wilson의 안개상자는 현대 물리학의 발전에 있어 매우 중요한 역할을 수행해왔다. Rutherford는 이 안개상자를 “과학사에 있어 가장 독창적이며 놀라운 도구”라고 묘사했으며, 당시 설명할 수 없었던 많은 간접적인 방사선 실험결과들을 설명하는데 단 한 장의 안개상자 사진은 충분한 설득력을 제공한다고 하였다.
참고문헌 (16)
Das Gupta NN and Ghosh SK. A Report on the Wilson Cloud Chamber and Its Applications in Physics, Reviews of Modern Physics. 1946;18(2):225.
최종범. 가속기와 인간의 삶. 전북대학교 양성자가속 기연구소, 2005.
김종오. 물리학 총론. 교학사, 1991.
안정근, 김현철, 정운혁. 기초핵물리학. 부산대학교 출판부, 2003.
차동우. 교양물리. (주)북스힐, 2004.
장준성, 이재형. 현대물리학. (주)학술정보, 2005.
Serway RA. 대학물리학. (주)북스힐, 2006
이춘우, 김영유, 류지욱, 김준태, 송영곤, 이영직. 고등학교 물리 II. 중앙교육진흥연구소, 2008.
장준성, 이성욱, 이경운, 전영석, 손정우. 고등학교 물리 II. (주)지학사, 2008.
권재술, 김범기, 문충식, 천조현, 최혁준, 김연수. 고등학교 물리 II. (주)교학사, 2008.
채광표, 송용갑, 김진만, 김성진, 정대영, 장동호. 고등학교 물리 II. (주)금성출판사, 2008.
방형찬, 차동우, 이재일, 우정원, 박완규, 정혜경. 고등학교 물리 II. (주)천재교육, 2008.
박봉상, 이태우, 김수용, 신근섭, 박영도, 이상욱, 조봉제. 고등학교 물리 II. (주)대한교과서, 2008.
Cornell University News: Thermoelectric Cooling Devices.
Fisher LH and Varney RN. Contact Potentials Between Metals : History, Concepts, and Persistent Misconceptions. Am. J. Phys. 1976;44:464.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.