Rutherfordův experiment s multikanálovým analyzátorem

Transkript

1 Ruthefodův expeiment s multikanálovým analyzátoem Úkol Ověřte Ruthefodův vztah po ozptyl poměřením počtu alfa částic ozptýlených tenkou zlatou fólií do ůzných úhlů mezi cca 0 a 90. Zjistěte, jak ovlivňuje ozptyl atomové číslo mateiálu použité fólie, sovnáním ozptylu do učitého vybaného úhlu jednou zlatou, poduhé hliníkovou fólií. Pincip Počet α-částic ozptýlených do vybaných úhlů tenkou zlatou fólií je poměřován polovodičovým detektoem. Po dosažení maximálních hodnot detekce v eálném čase je použito modifikované Chadwickovo uspořádání. Vliv atomového čísla je ověřen po jeden vybaný úhel ozptylu postupným použitím zlaté (Z = 79) a hliníkové (Z = 13) fólie. Ob. 1: Rudhefodův expeiment a Chadwickovo modifikované uspořádání Teoie a vyhodnocení měření Ruthefodův expeiment s ozptylem α-částic tenkou fólií dokázal, že kladný náboj i většina hmotnosti atomu jsou koncentovány v jádře, jehož ozměy jsou o několik řádů nižší než ozměy

2 celého atomu. Coulombův potenciál (kteý klesá s kvadátem vzdálenosti od bodového náboje) je tedy v blízkosti jáda mnohem silnější, než předpovídaly předchozí teoie o uspořádání atomu (zejména Thomsonův pudinkový model ). α-částice nesou kladný náboj a jsou tedy odpuzovány kladným nábojem jáda, pohybují se po hypebolických tajektoiích. Na ozdíl od předpokladů plynoucích z předchozího modelu, jsou ozptylovány i do velkých úhlů. Četnost částic n( θ ) ozptýlených pod úhlem θ do postoového úhlu d Ω je za předpokladu pakticky bodového jáda dána Ruthefodovým vztahem po ozptyl α-částic: d F Ze dω n ( θ ) = n N πε, kde n = četnost částic dopadajících na fólii, N = koncentace 0E θ sin atomů ve fólii, d F = tloušťka fólie, Z = atomové číslo jáda, E= enegie α-částic, e = elementání náboj = C, ε 0 = pemitivita vakua = F m -1. Postoový úhel d Ω zachycený AD čitačem částic je dán vzdáleností detektou od fólie a jeho aktivní plochou A D (ob. 1): d Ω =. Zahnutím předchozího vztahu do ovnice po ozptyl dostáváme: n( θ ) N dfa D Ze = n θ 0 sin πε E četnost α-částic n dopadajících na fólii klesá se vzdáleností od zdoje přibližně podle vztahu 1/ 1, Q AF pokud je zdoj o aktivitě Q považován za bodový: n =, zde A F označuje ozářenou plochu fólie. π Z bezpečnostních důvodů je po měření použit elativně slabý zdoj α-částic, omezený na 370 kbq. Pokud bychom použili oiginální uspořádání (ob. 1 vlevo), četnost pulsů by byla tak nízká, že měření by nebylo možno ealizovat v čase učeném po laboatoní cvičení. Poto je využito modifikované uspořádání (viz ob. 1 vpavo), navžené Chadwickem v oce 190. Detecto má pakticky stopocentní účinnost detekce α-částic a pakticky žádný nulový efekt, takže počet pulsů lze pokládat za počet α-částic dopadajících na detekto. Clona s fólií je pohyblivá, stejně jako zdoj záření, poměřovaný úhel ozptylu θ lze tedy egulovat pomocí posunu těchto dvou pvků. Fólie je v našem uspořádání umístěna vždy v polovině vzdálenosti mezi zdojem a detektoem, takže platí: 1, kde

3 θ sin = a a l +. V tomto novém uspořádání se pak vzoec po četnost ozptýlených částic v závislosti na úhlu ozptylu mění na tva: ( θ ) QN dfaf A D Ze θ θ n = cos = cos π πε const. a 0E Pomůcky Pstencová clona se zlatou fólií, d F =1.5 µm, Z = 79, N = m -3, a = 0.16 mm, A F = 6 cm Pstencová clona s hliníkovou fólií, d F =8 µm, Z = 13, N = m -3, a = 0.16 mm, A F = 6 cm U-magnet, velký Vakuová komoa po expeimenty z jadené fyziky Radioaktivní zářič Ameicium-1, 370 kbq = min -1, E 3MeV Alfa a foto detekto, A D = 15 mm Předzesilovač fotodetektou Tlakové čidlo a uční manomet Dvoustupňová membánová vývěva Gumová tlustostěnná hadice, vnitřní půmě 6 mm, Y-spojka, tlačka 0 mm Adapté s dvojitou BNC konocvkou / mm Stíněné BNC kabely l = 300 mm a dva l = 750 mm Datový kabel x SUB-D, 9-pólový PC a softwae Measue po MCA, USB kabel Expeimentální uspořádání a postup měření Fotogafie zachycuje kompletní uspořádání expeimentu. The photogaph shows the complete expeimental layout. Detekto α-částic, pstencová clona se zlatou fólií a zdoj α-částic 1Am upevněný na pohyblivém ameni jsou umístěny ve skleněné vakuové komoře. Po měření vždy uzavřete zářič vaťte jej do jeho obalu. Předzesilovač je třeba nastavit na α-částice, napětí po detekto (bias) na vnitřní Int. and. Výstup předzesilovače je napojen na vstup Input MCA, MCA je současně i zdojem napětí po předzesilovač. Detekto je zapojen pomocí BNC kabelu a adaptéu na Detecto vstup

4 předzesilovače. Tento kabel musí být vždy pevně připojen před zapnutím napětí! Multikanálový analyzáto musí být na začátku vypnut! (žádné napětí na α-detekto). Přípava 1. Pevně ale jemně našoubujte zářič na džák, při manipulaci se nikdy nedotýkejte vodicí tyče, vždy použijte ukojeť. Pevně zaaetujte tyč poti pohybu. Vyčepejte komůku na cca 1 hpa. Při čepání postupně dotahujte boční šouby vakuové komůky. Uzavřete hadici tlačkou a vypněte vývěvu. Ověřte, že je tlak stabilní a systém tedy těsní. Clonu s fólií lze přesouvat zvenčí pomocí magnetu, není poto třeba komůku po změnu měřeného úhlu ozptylu otevíat. Před napuštěním vzduchu pomocí šoubu v bočnici komůky po skončení měření vždy povolte upevňovací šouby! Zakyjte komůku, abyste zamezili přístupu světla na detekto.. Zapněte multikanálový analyzáto. Spusťte na PC pogam Measue, zvolte Gauge > Multi Channel Analyse a vybete "Integation measuement", potvďte pomocí tlačítka Continue. Nastavte "Gain" na "Level ", "Offset [%]" na 6 a "Recoding time [s]" na 100. Vložte odpovídajicí údaje do kolonky X-Data (distance, l, cm). Nastavte pomocí tyče vzdálenost l mezi zářičem a detektoem, zafixujte polohu; pomocí magnetu posuňte fólii dopostřed mezi zářič a detekto. Začnete na l = 10 cm. Ob. : Okno po nastavení integačního měření a okno ohlašující konec dílčího měření

5 3. Spusťte měření tlačítkem Measue. Po uplynutí zvolené integační doby se objeví okno jako na obázku vpavo. Zadejte použitou vzdálenost l a potvďte tlačítkem Accept value.. Změňte nastavení vzdálenosti l, při zachování polohy clony v polovině mezi zdojem a detektoem, pomocí tlačítka Measue ealizujte měření po další vzdálenosti, l =, 7, 10, 1, 18 a cm, uložte pomocí Accept data. 5. Zakeslete četnost částic v pevném časovém intevalu n( θ ) jako funkci úhlu ozptylu. Diskutujte výsledek. 6. Expeiment zopakujte s hliníkovou fólií po vzdálenost l = 18 cm. Poovnejte výsledky z hlediska náboje jáda. Chyby měření (a) Četnost částic neklesá se vzdáleností od zdoje přesně podle vztahu 1/ (zejména po malé vzdálenosti), potože zdoj není bodový. (b) α-částice nejsou monoenegetické. Střední enegie α-částic klesá s osotucím úhlem θ v důsledku ztát na kytí zdoje. (c) Hlubší vstvy baiéy α-detektou jsou po velké úhly θ odstíněny. (d) Není uvažována možnost vícenásobného ozptylu. (e) Enegie α-částic při půchodu fólií klesá v důsledku jejich inteakce s elektony. (f) Na detekto nedopadají pouze částice ozptýlené do úhlu θ ; ve skutečnosti se jedná o ozpětí úhlů θ, θ + θ. Liteatue PHYWE seies of publications Laboatoy Expeiments Physics PHYWE SYSTEME GMBH & Co. KG D Götingen Beise, A.: Úvod do modení fyziky, Academia, Paha 1975