LAUREA MAGISTRALE IN FISICA
CORSO DI LABORATORIO DI FISICA
AA 2010/2011
1. Titolo dell’esperienza
Deviazione dalla sezione d’urto differenziale Rutherford e misura della funzione di eccitazione di una
risonanza nucleare mediante l’uso dell’acceleratore Tandem
2. Presentazione del problema scientifico ed obiettivi della misura
Una particella che viaggia verso un nucleo atomico e’ sottoposta ad un potenziale del tipo rappresentato
in figura. La variabile “r” rappresenta la somma dei raggi dei due partners, la particella proiettile ed il
nucleo bersaglio. Per distanze molto maggiori della somma dei raggi dei due partners il potenziale e’
quello coulombiano. Per distanze confrontabili con la somma dei due raggi, invece, il potenziale diventa
attrattivo per effetto delle forze nucleari di corto raggio. La sovrapposizione del campo coulombiano
repulsivo e di quello attrattivo nucleare attrattivo dà luogo ad un massimo relativo nel potenziale che
e’ comunemente indicato come “barriera coulombiana”. La particella incidente puo’ quindi essere
sottoposta all’azione delle forze nucleari se la sua energia e’ tale o da superare la barriera coulombiana
o da attraversarla per effetto tunnel. Qualora cio’ avvenisse e’ possibile osservare fenomeni di
deviazione dalla sezione d’urto Rutherford ed in
particolare il fenomeno della risonanza nucleare.
Se le condizioni energetiche sono ottimali, la particella
che entra nel campo nucleare puo’ indurre la formazione
di un nucleo composto in uno stato eccitato quasi-legato
che puo’ diseccitarsi emettendo una nuova radiazione
dopo un tempo caratteristico (vita media del livello).
L’eccitazione di un livello nucleare mediante una
particella incidente ha come analogo le oscillazioni
forzate di un circuito elettrico mediante un’onda
elettromagnetica. La sezione d’urto della radiazione
emessa nel decadimento varia con l’energia della
particella incidente allo stesso modo in cui la
ampezza di oscillazione della corrente in un circuito elettrico varia con la frequenza dell’onda incidente.
Lo smorzamento di una risonanza classica avviene per effetto della perdita resistiva; nel caso nucleare,
la dissipazione di energia nasce dalla possibilita’ di decadere o nel canale iniziale o attraverso uno degli
altri canali di decadimento aperti. A causa di questa possibilita’, lo stato nucleare creato ha una
larghezza Γ finita.
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Nella reazione C(p, p’) C il protone incidente puo’ formare il nucleo composto N in uno stato
eccitato che si diseccita successivamente riemettendo ancora un protone. Questo fenomeno produce,
alle energie intorno alla risonanza, la deviazione della distribuzione angolare dei protoni emessi da
quella di Rutherford. La deviazione si manifesta, nella funzione di eccitazione ad un angolo fisso, con
un picco molto pronunciato centrato all’energia detta di risonanza, dal quale e’ possibile estrarre
informazioni sul livello del nucleo composto eccitato.
Lo scopo dell’esperienza e’ quello di misurare la funzione di eccitazione (sezione d’urto in funzione
dell’energia del proiettile) per l’emisione di protoni ad un angolo fissato per determinare la regione
energetica di risonanza ed una stima della vita media del livello e del raggio d’azione delle forze
nucleari. La funzione di eccitazione ha la forma mostrata in figura.
Alle energie minori di circa 1.6 MeV l’andamento
e’ quello previsto dalla diffuzione coulombiana.
Per energie leggermente maggiori si osserva il
ripido aumento delle sezione d’urto e
successivamente, alle energie maggiori del picco,
il ripristono dell’andamento alla Rutherford. Nella
regione del picco ha luogo l’interferenza tra i due
processi coesistenti: la diffusione elastica e il
decadimento della risonanza. Questo fenomeno
fornisce una evidenza diretta della teoria
ondulatoria.
3. Metodologia sperimentale
Un foglio di carbonio di spessore opportuno e’ irradiato con un fascio di protoni prodotto
dall’acceleratore Tandem e di energia tra 1 e 2 MeV. I protoni diffusi a due angoli sono rivelati con
rivelatori a stato solido. Il segnale elettrico prodotto dai rivelatori viene convogliato in una catena
elettronica lineare ed un sistema di acquisizione 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. Una volta individuata la regione di risonanza, e’ possibile infittire le misure con passi
piu’piccoli di energia del fascio. 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. Sezione d’urto differenziale
2. Larghezza della risonanza
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.
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L’estrazione dei parametri della risonanza e’ effettuata mediante test χ .
6. Riferimenti bibliografici
[1] K. Krane, Introductory Nuclear Physics, Wiley
[2] R. Evans, The atomic nucleus, McGraw Hill
Proponenti: E. Vardaci
