Експеримент Резерфорда-Гейгера-Марсдена

Що зробив Резерфорд та його помічників Гейгер і Марсден є, мабуть, одним із найважливіших експериментів ядерної фізики.

Експерименти проводились між 1908 і 1913 рр. Гансом Гейгером та Ернестом Марсденом під керівництвом Ернеста Резерфорда з фізичних лабораторій Манчестерського університету.

В експерименті Резерфорд послав пучок альфа-частинки (ядра гелію), що випромінюються з радіоактивного джерела проти тонка золота фольга (товщина близько 0,0004 мм, що відповідає приблизно 1000 атомам).

Навколо золотої фольги на ньому було розміщено сірчанокислий цинк, який показував невеликий спалах світла при попаданні розсіяної альфа-частинки. Ідея полягала в тому, щоб визначити структуру атома і зрозуміти, чи це те, що передбачається Томсоном (атом без ядра, також відомий як модель пудингу), чи є щось інше.

Зокрема, якби атом мав внутрішнє ядро, відокремлене від зовнішніх електронів, тоді вони могли б спостерігати за подіями або частинками з великий кут відхилення. Отримавши, власне, ці результати, новозеландський фізик дійшов висновку, що атом утворився а невелике і компактне ядро, але з високою щільністю заряду, оточений електронною хмарою.
На зображенні нижче зображено взаємодію пучка альфа-частинок з ядрами тонкої золотої фольги; можна побачити, як більшість частинок безперешкодно проходить або з малими кутами відхилення через “порожній” атом, деякі частинки, проте, проходячи близько до ядра, відводяться з високим кутом або навіть відскакують назад.

Взаємодія між альфа-частинкою і ядром (пружне зіткнення) також відоме як Кулонівське розсіювання, оскільки взаємодія при зіткненні зумовлена кулонівською силою. На діаграмі нижче показано деталі взаємодії між альфа-частинкою та ядром атома.

Експериментальне встановлення

У “лабораторії” PhysicsOpenLab ми спробували відтворити відомий експеримент Резерфорда. З обладнанням, яке вже використовується в альфа-спектроскопія ми побудували установку на основі альфа-твердотільний детектор, джерело 0,9 мкКі Am 241 та золоту фольгу як розсіювач. У цій публікації ми описуємо використовуване обладнання: Альфа-спектрометр, Товщина золотого листя .

Основною метою є не точне вимірювання, а якісна оцінка розсіювання як функції прогину.
На зображенні нижче показано експериментальне налаштування:

Альфа-джерело насправді становить 0,9 мкКі Am 241 (від детектора диму), який випромінює альфа-частинки з енергією 5,4 МеВ. Промінь альфа-частинок колімується простим отвором у дерев'яному екрані. Джерело та коліматор закріплені на плечі, вільному для обертання навколо стовпа, на якому розміщена золота фольга, яка діє як розсіювач. Ціле розміщується всередині герметичної коробки, яка виконує роль вакуумної камери за допомогою звичайного масляного роторного вакуумного насоса. На малюнках нижче показана “вакуумна камера” та електронна частина для посилення та придбання, підключена до ПК для підрахунку подій.

Результати

За допомогою експериментальної установки, описаної вище, ми провели серію вимірювань. Ми вибрали час вимірювання 10 хв = 600 с. Це досить короткий інтервал, особливо для більш високих кутів, які дають кілька подій, але достатній, щоб мати результат якісного характеру. З кількома подіями статистична невизначеність висока, і тоді відповідні дані слід розглядати лише як якісний показник. На додаток було встановлено поріг мінімальної енергії 700 кев таким чином, щоб виключити з підрахунку будь-які помилкові події, які можуть статися, але які зазвичай залишаються обмеженими в межах енергетичних значень менше 1 МеВ.
Отримані результати наведені в таблиці. Обертовий кронштейн розміщений під різними кутами, починаючи від нульового кута до значення 75 °, з кроком 15 °. Під кутами, що перевищують 45 °, підраховані події були зменшені до кількох одиниць. Для цих кутів було б потрібно збільшити час вимірювання або збільшити потужність джерела, щоб отримати більшу кількість подій і, таким чином, мати більшу статистичну значимість.
Результати вимірювань показані на наступних графіках, у лінійній шкалі та в напівлогарифмічній шкалі.

Результати, отримані в рамках нашого експериментального підходу, хоча і з очевидними обмеженнями, до очікуваних теоретичних результатів, представлених на наступному графіку:

Для повноти ми також повідомляємо збоку формулу, яка описує розподіл кількості підрахованих частинок у залежності від кута розсіювання. Цікаво, що це залежить від потужності двох атомний номер цілі і обернено пропорційна четвертій мірі гріха (θ/2).

Якщо вам сподобалась ця публікація, ви можете поділитися нею на "соціальній" Facebook, Twitter або LinkedIn за допомогою кнопок нижче. Таким чином ви можете нам допомогти! Дякую !

Пожертва

Якщо вам подобається цей сайт і якщо ви хочете внести свій внесок у розвиток діяльності, ви можете зробити пожертву, спасибі !