Rutherford

LAUREA MAGISTRALE IN FISICA
CORSO DI LABORATORIO DI FISICA
AA 2010/2011
1. Titolo dell’esperienza
Misura della sezione d’urto Rutherford mediante l’uso dell’acceleratore Tandem
2. Presentazione del problema scientifico ed obiettivi della misura
Nel 1909 Hans Geiger e Ernest Marsden condussero un esperimento di eccezionale importanza che ha
aperto la strada agli studi moderni basati sul metodo della diffusione. Utilizzando una strumentazione
che oggi potremmo definire rudimentale, essi irradiarono un “sottile” foglio di oro con particelle alfa
emesse da radiosorgenti, e trovarono che solo un piccola frazione di esse (circa 1 su 8000) subiva una
deflessione dalla traiettoria rettilinea originale (ortogonale al foglio di oro) ad angoli maggiori di 90°.
La cinematica indicava che queste particelle alfa si comportavano come se avessero rimbalzato contro
qualcosa di “pesante”. Dai risultati sperimentali, Rutherford formulo’ la sua teoria atomica. In
particolare, egli ricavo’ la relazione che riproduceva la frazione di particelle deflesse ad un determinato
angolo di osservazione, ovvero l’andamento della sezione d’urto in funzione dell’angolo (sezione d’urto
differenziale).
Lo scopo dell’esperienza e’ quello di effettuare l’esperimento di Geiger e Marsden con strumenti
moderni, in particolare un fascio di protoni prodotto dall’acceleratore Tandem e rivelatori a stato solido,
e di verificare la validita’ della legge che descrive l’andamento della sezione d’urto in funzione
dell’angolo di osservazione. L’esperimento costituisce un primo approccio alle problematiche relative al
disegno di un comune esperimento di diffusione, e ad alcune tecniche di analisi dati e di calcolo
numerico elementare. I prerequisiti per questa esperienza sono:1) cinematica di una collisione elastica
a due corpi, 2) conservazione del momento lineare e dell’energia, 3) elementi di interazione della
radiazione con la materia, 4) il concetto di sezione d’urto, 5) elementi di elettronica lineare.
3. Metodologia sperimentale
Un foglio di oro in una camera di scattering in cui viene fatto il vuoto e’ irradiato con un fascio di
protoni prodotto dall’acceleratore Tandem e di energia intorno ai 5 MeV. I protoni diffusi sono rivelati
ad alcuni angoli con rivelatori a stato solido. Il segnale elettrico prodotto dai rivelatori viene
convogliato in una catena elettronica lineare che termina con un sistema di acquisizione il quale
provvede a istogrammare il numero di eventi in funzione dell’energia dei protoni. Dall’analisi di questi
spettri e’ possibile risalire alla sezione d’urto differenziale. Le osservabili sono le seguenti:
Osservabili dirette:
1. Intensita’ del fascio di protoni
2. Carica totale di un run di misura
3. Spettri in energia dei protoni diffusi a vari angoli
4. Tempo morto del sistema di acquisizione
Osservabili indirette:
1. Distribuzione angolare dei protoni diffusi
2. Sezione d’urto Rutherford differenziale ed integrata
3. Distanza di minimo avvicinamento
4. Strumentazione
1. Sorgente di protoni
2. Acceleratore Tandem
3. Camera di diffusione
4. Sistemi di pompaggio
5. Rivelatori di particelle cariche a stato solido
6. Elettronica nucleare
7. Sistema di acquisizione dati
5. Analisi dei dati
L’analisi dei dati comprende sostanzialmente la misura delle grandezze che permettono di convertire il
numero di protoni rivelati ad un certo angolo in sezione d’urto, ovvero angoli solidi dei rivelatori,
intensita’ del fascio e carica totale, spessore del bersaglio, tempo morto del sistema di acquisizione. La
verifica della legge di Rutherford e’ effettuata mediante regressione lineare e test d’ipotesi.
6. Riferimenti bibliografici
[1] K. Krane, Introductory Nuclear Physics, Wiley
[2] A. C. Melissinos, Experiments in Modern Physics, Academic Press (1966) p231
Proponenti: L.Campajola