STAGE
08/07/2002-26/07/2002
RISCOPRIAMO IL NUCLEO
ATOMICO
CON L’ESPERIMENTO DI
RUTHERFORD
E
PUBBLICHIAMO I RISULTATI
SU WEB
PREMESSA
Ventiquattro secoli dopo il pensiero di Democrito, chimici e fisici, per strade diverse, cominciavano
a considerare seriamente l’ipotesi della corpuscolarità della materia. Negli ultimi decenni
dell’Ottocento il concetto di atomo aveva conquistato quasi tutti gli scienziati e inoltre
cominciavano ad essere studiati fenomeni che facevano pensare ad un’ulteriore suddivisibilità
dell’atomo. Erano soprattutto le esperienze di scarica nel vuoto e di elettrochimica che suggerivano
l’ipotesi che gli atomi di qualunque elemento chimico fossero costituiti tutti delle stesse particelle,
portanti cariche positive e negative.
Il primo modello atomico di maggior successo fu quello di J.J.Thomson (1856-1926) che consisteva
in una sfera contenete al suo interno le cariche positive e negative distribuite in modo uniforme
(modello a panettone). Le contraddizioni che presentava questo modello furono risolte da Ernest
Rutherford.
ERNEST RUTHERFORD
1871-1937
Ernest Rutherford nacque il 30 agosto 1871 a Nelson in Nuova Zelanda ma
la sua famiglia emigrò dall’Inghilterra prima della sua nascita. Fu un buon
studente e vinse una borsa di studio per l’università. Dopo il college vinse
un’altra borsa di studio che gli permise di studiare alla Cambridge
University in Inghilterra. Lì incontrò J.J.Thomson che lo incoraggiò a
studiare i raggi x scoperti da poco. Questo fu l’inizio di una lunga,
produttiva e influente carriera nella fisica atomica. Rutherford coniò i
termini per molti dei principi base della fisica come i raggi alfa, beta e
gamma, il protone, il neutrone, il decadimento. Molti dei giganti della fisica
del Novecento studiarono con lui, inclusi Niels Bhor, James Chadwick e
Robert Oppenheimer.
Presto scoprì che tutti gli elementi radioattivi allora conosciuti emettevano due tipi di radiazioni:
alfa e beta di carica rispettivamente positiva e negativa. Dimostrò che ogni elemento radioattivo
diminuisce in radioattività secondo un tempo unico e regolare (decadimento) diventando alla fine
stabile. Nel 1901 e 1902 lavorò con Frederick Soddy dimostrando che, espellendo una parte
dell’atomo ad alta velocità, gli atomi di un elemento radioattivo si
trasformano in un altro. Molti scienziati dell’epoca disprezzarono l’idea
definendola alchimia. Essi seguivano ancora la vecchia idea che l’atomo
fosse indivisibile e privo di carica. Ma verso il 1904 le pubblicazioni e i
successi di Rutherford guadagnarono attenzione. Egli fu un instancabile
ricercatore: nel corso di sette anni pubblicò ottanta articoli.
Nel 1907 andò all’università di Manchester e con Hans Geiger realizzò
un centro per lo studio delle radiazioni. Nel 1909 iniziò gli esperimenti
che avrebbero cambiato la fisica. Scoprì il nucleo atomico e sviluppò un
modello dell’atomo simile al sistema solare. Come i pianeti gli elettroni
orbitavano intorno al sole-nucleo. Successivamente il modello fu
sviluppato con la teoria quantistica di Niels Bhor. Per i suoi lavori con le
radiazioni e il nucleo atomico, Rutherford ricevette il premio Nobel per la
chimica nel 1908.
Durante la Prima Guerra Mondiale, lasciò le sue ricerche per aiutare la Rutherford con un collaboratore
Marina Inglese con i problemi riguardanti la rivelazione dei sottomarini, nel suo laboratorio
ma presto tornò in laboratorio. Riuscì a produrre la disintegrazione di un
atomo non radioattivo rimuovendo una singola particella. La particella aveva una carica positiva,
così doveva venire dal nucleo; chiamò quindi la nuova particella protone.
Con questo esperimento egli fu il primo uomo a creare una reazione nucleare, sebbene debole. Nel
1919 egli diventò il direttore del Laboratorio di Cavendish. Fu da esempio a molti ricercatori non
solo per i suoi successi scientifici ma anche per il suo carattere socievole e disponibile. Con il
passare degli anni diventò sempre più un supervisore e sempre meno un direttore delle ricerche. Nel
1931 fu nominato primo Barone di Nelson e ciò gli permise di prendere parte alla House of Lords.
Egli fu un coraggioso anti – nazista, e nel 1933 lavorò come presidente della Academic Assistance
Council, costruita per aiutare i profughi Tedeschi. D’altra parte non aiutò il chimico Fritz Haber
che, durante la Prima Guerra Mondiale, aveva contribuito a costruire delle armi chimiche.
Rutherford morì a Cambridge il 19 ottobre 1937, due anni prima della scoperta della fissione
atomica.
L’ESPERIMENTO DI RUTHERFORD
Rutherford per realizzare il suo esperimento utilizzò una sorgente di particelle α, una lamina d’oro
ed un rivelatore costituito da uno schermo fluorescente. Facendo passare il fascio di particelle
emesso dalla sorgente attraverso la lamina d’oro notò che la maggior parte del fascio emergente
conservava l’apertura di quello incidente e solo alcune particelle venivano deviate. In base al
modello atomico di Thomson il fascio emergente avrebbe dovuto essere più aperto a causa delle
deflessioni, dovute alla materia carica positivamente diffusa in tutto il volume dell’atomo, che le
particelle α (anch’esse cariche positivamente) potevano subire. Questo fatto portò Rutherford ad
ipotizzare che l’intera carica positiva atomica doveva essere situata in una piccola zona dell’atomo
detta nucleo mentre la maggior parte del volume atomico doveva essere semplicemente vuoto. Gli
elettroni erano situati quindi alla periferia dell’atomo.
In base ai risultati ottenuti dai suoi esperimenti, Rutherford sostituì al modello di Thomson un
modello planetario dell’atomo in cui il nucleo aveva un diametro 100 000 volte più piccolo di
quello atomico e gli elettroni ruotavano in orbite circolari od ellittiche intorno al nucleo.
Apparato di Rutherford per il suo esperimento
L’ESPERIMENTO AI LNL
PREPARAZIONE : Per realizzare l’esperimento viene impiegata una camera di forma circolare di
metallo nella quale sono posti: una sorgente di Americio che emette particelle a, collimatore di
alluminio, un bersaglio costituito da una sottile lamina d’oro spessa 3.62 x 10 -6 m e due rivelatori al
silicio. Una pompa collegata ad uno dei quattro fori presenti nella camera ha la funzione di creare il
vuoto all’interno della stessa. Sebbene per l’esperimento non sia necessario creare una grande
depressione, per evitare la formazione di plasma ionico dovuto alla presenza di voltaggio in un gas
rarefatto si porta la depressione totale a circa 10-2 millibar. Collegati alla pompa vi sono due
indicatori la cui funzione è quella di segnalare il valore della pressione in ogni istante. Per creare il
vuoto occorre azionare una valvola sulla pompa ed altrettanto occorre fare per riportare il sistema
nelle condizioni iniziali. I rivelatori al silicio sono entrambi collegati ad un alimentatore esterno che
fornisce loro una tensione di quaranta volt. Uno è posto di fronte al bersaglio mentre l’altro è
collocato in una posizione variabile per confrontare i segnali presi da angolazioni diverse (nello
schema è raffigurato in due posizioni alla sinistra della sorgente).
REALIZZAZIONE: Una volta incontrata la lamina d’oro, le particelle a, a seconda dell’angolo di
deflessione subito, possono incontrare uno dei due rivelatori. La particella a, attraversando un
semiconduttore di tipo n-p come il silicio, produce all’interno del rivelatore una variazione di
tensione ristabilita da un alimentatore. Questa differenza di voltaggio è un segnale analogico che,
passando attraverso un preamplificatore e un amplificatore, può essere osservato da un
oscilloscopio sotto forma di una “gaussiana”.
Oscilloscopio
Interno della camera
Segnale proveniente dal rivelatore dopo
amplificazi one ed integrazione “Gaussiana”
Esterno della camera
Sorgente di particelle a in Americio
Bersaglio d’oro
Rivelatore al silicio
SCHEMA DEL SISTEMA
LEGENDA
A: sorgente di particelle a
B: collimatore
C: lamina d’oro (bersaglio)
D1: rivelatore fisso
D2: rivelatore spostato di 120°
D3: rivelatore spostato di 30°
E: cavi collegati al preamplificatore
F: tubo della pompa
G: valvola per rompere il vuoto
H: manometro (indicatore di pressione)
I: collegamento al secondo rilevatore di pressione
ACQUISIZIONE DATI
Per l’acquisizione dei dati si deve trasformare il segnale analogico del rivelatore in segnale digitale
comprensibile ad un calcolatore. Per fare ciò l’impulso proveniente dal rivelatore mediante dei cavi
giunge ad un preamplificatore la cui funzione principale è rendere compatibile il segnale di uscita
del rivelatore con il resto del sistema di acquisizione. Il preamplificatore è anche necessario per
diminuire ogni sorgente di rumore che può disturbare il segnale. L’anello successivo della catena di
acquisizione è l’amplificatore che, selezionando i segnali che interessano lo studio del ricercatore,
ne adatta l’intensità affinché possano essere meglio convertiti dall’ADC (analog to digital
converter). Una volta giunto il segnale di trigger (che fa partire il processo di conversione) e
l’impulso proveniente dall’amplificatore, l’ADC apre una finestra (gate, la cui durata in microsec. è
decisa dall’operatore) all’interno della quale il convertitore individua l’ampiezza del picco del
segnale e la tiene in memoria fino alla conversione vera e propria. Durante l’elaborazione del dato il
convertitore normalmente non accetta altri segnali provenienti dall’amplificatore. Dopo la
conversione il segnale digitalizzato (dato) è pronto per essere acquisito dalla CPU situata nello
stesso crate degli ADC. I dati poi giungono ad una seconda macchina per l’analisi.
Preamplificatore
Crate
Da sinistra: CPU e ADC
Amplificatori(sopra) e Alimentatore(sotto)
Sistema completo
INTERPRETAZIONE DATI
Una volta giunti alla CPU, i vari segnali provenienti dai rivelatori possono essere osservati
graficamente sotto forma di istogrammi tramite un apposito programma. Sull’asse delle ascisse è
riportata una scala corrispondente ai numeri di bit dei convertitori e proporzionale all’energia delle
particelle a misurata in keV mentre i valori letti sull’asse delle ordinate indicano il numero di
particelle che posseggono una determinata energia.
Tenendo fermo il rivelatore posto di fronte alla sorgente e posizionando l’altro in modo che sia
spostato di 30° e di 120° rispetto al bersaglio (vedere schema), si ottengono degli istogrammi diversi
che, confrontati fra loro, permettono di studiare i vari angoli di deflessione delle particelle a.
Istogramma 1: rivelatore di fronte al bersaglio
Istogramma 2: rivelatore spostato di 120 °
Istogramma 3: rivelatore spostato di 30°
Dopo acquisizioni durate circa cinque ore dal confronto degli istogrammi 1, 2 , 3 è possibile notare
come il numero di particelle che attraversano la lamina d’oro è circa ottomila volte maggiore del
numero di particelle deviate. Si osserva inoltre che gli istogrammi 2 e 3 differiscono leggermente
per quanto riguarda il numero di particelle rilevate. Questo evidenzia il fatto che le particelle che
interagiscono con il nucleo d’oro tendono ad essere deviate maggiormente con angoli non troppo
elevati.
Il grande numero di conteggi presente nella parte sinistra di ogni istogramma è causato da delle
interferenze elettromagnetiche chiamate “rumore” dovute all’utilizzo di cavi elettrici per
l’acquisizione dati. Il “rumore” causa in certi esperimenti notevoli problematiche perché rende assai
difficile l’interpretazione dei dati. In altri invece (come in questo caso) può non essere di grande
disturbo perché interessa livelli energetici estranei al fenomeno da osservare.
Due rivelatori all’interno della camera
SCHEMA DELLA SEQUENZA
PER LA RACCOLTA DATI
PARTICELLE α
ALIMENTATORE
RIVELATORE
PREAMPLIFICATORE
AMPLIFICATORE
OSCILLOSCOPIO
ANALOG-DIGITAL
CONVERTER
CPU
CONCLUSIONI
Questa esperienza ci ha permesso di ripetere un esperimento, realizzato per la prima volta nel 1910,
con delle apparecchiature moderne consentendo di acquisire delle informazioni più dettagliate sulla
struttura dell’atomo ottenendo dei risultati analoghi a quelli di Rutherford confermando in pieno le
nostre aspettative. Nonostante le varie difficoltà incontrate nella costruzione degli apparati la
preparazione e l’esperienza dei tutor hanno permesso di risolvere ogni problema in breve tempo.
Lo stage inoltre ci ha consentito di osservare in prima persona il funzionamento di uno dei più
importanti laboratori di fisica nucleare italiani e di capire in cosa consiste il lavoro del fisico
nucleare e dell’equipe che lo segue.
Laboratori Nazionali di Legnaro 24/07/2002
Relatori:
Tutor:
Gianpaolo Dimasi
Andres Gadea
Tommaso Ongarello
Nicola Toniolo
Loredana Salmistraro
Luigi Zangrando
Con la collaborazione di:
Michalis Axiotis
APPENDICE FOTOGRAFICA
Foto di gruppo
Tommaso è perplesso,
Gianpaolo osserva…
…e Loredana risolve
Momento di svago!!!
