Bài thực tập số 1 Tán xạ Rutherford 1 Mục đích thí nghiệm Quan sát hiện tượng tán xạ ngược Rutherford sử dụng mẫu vàng mỏng trên kính Xác định tiết diện tán xạ ngược Rutherford, so sánh với lý thuyết.
Bài thực tập số Tán xạ Rutherford Mục đích thí nghiệm Quan sát tượng tán xạ ngược Rutherford sử dụng mẫu vàng mỏng kính Xác định tiết diện tán xạ ngược Rutherford, so sánh với lý thuyết Giới thiệu chung Có thể nói chưa có thí nghiệm lịch sử Vật lý hạt nhân có ảnh hưởng lớn thí nghiệm tán xạ Rutherford Kết tính tốn Rutherford dựa thực nghiệm tán xạ ngược thực hai học trò ơng (Geiger Marsen) đưa đến mơ hình nguyên tử đắn Trước thí nghiệm Rutherford, ngun tử giả thiết thể tích hình cầu đồng chứa proton electron trộn lẫn cách ngẫu nhiên nhiều hay Mơ hình ngun tử đề xuất Thomson vào thời điểm mơ hình ngun tử tốt so với mơ hình ngun tử khác Geiger Marsen thực thực nghiệm từ sớm đo hạt alpha tán xạ kim loại nặng mỏng Họ phát phân bố góc hạt alpha tán xạ đạt giá trị lớn hướng tán xạ phía trước Tuy nhiên, họ quan sát số kiện tán xạ góc > 900 Sự ngạc nhiên Rutherford trước tượng quan sát thể câu nói ơng giảng: "It was almost as incredible as if you fired a fifteen-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you."(Dường tin bạn bắn phiên đạn 15 inch vào tờ giấy ăn lại đập ngược trở lại bạn) Rutherford phân tích phân bố góc dựa mơ hình ngun tử đề xuất Thomson Tuy nhiên, ông nhận thấy mô hình ngun tử Thomson khơng thể giải thích tiến diện tán xạ ngược lớn tìm thấy thực nghiệm Phép đo Geiger Marsden cho thấy số lượng hạt 1/8000 hạt alpha tới tán xạ foil plantium góc > 900 Điều mâu thuẫn với tính tốn trước dựa mơ hình ngun tử Thomson, theo có hạt alpha tổng số 1014 hạt tới tán xạ với góc Bằng nỗ lực cộng với nhìn Vật lý sắc xảo, Rutherford phát triển mơ hình hạt nhân ngun tử riêng Tính tốn ơng dựa vào mơ hình tán xạ Coulomb lõi đặc gồm điện tích dương giải thích số lượng gấp 1010 lần tiết diện tán xạ cần phải tăng thêm để phù hợp với giá trị tìm Geiger Marsen Với thiết bị thí nghiệm thời (gồm buồng hút chân khơng với kính hiển vi di chuyển nhấp nháy làm kẽm sunfat), khó để đo tiết diện Họ phải quan sát đếm nháy sáng gây hạt alpha kẽm sunfat Thí nghiệm phải tiến hành cách tỉ mỉ cẩn trọng để đo phân bố góc Thuật ngữ "tiết diện tán xạ" đề cập có ý nghĩa xác suất phản ứng tán xạ góc tán xạ định Đơn vị tiết diện diễn giải đơn vị diện tích Vì xác suất tương đối hạt alpha bắn vào hạt nhân vàng tỉ lệ với diện tích hiệu dụng hạt nhân Nó tương tự việc ta ném vào bóng tennis vào bóng rổ treo sợi dây Xác suất để bóng tennis đập trúng bóng rổ tỉ lệ với diện tích "nhìn thấy" bóng tennis bay tới (bằng π x đường kính bóng rổ) bóng rổ Đơn vị tiết diện "barn", barn = 1𝑋10−24 cm2 Đây diện tích nhỏ Tuy nhiên hiểu việc sử dụng đơn vị xét đến kích thước nhỏ hạt nhân so với kích thước lớn nhiều nguyên tử Từ "barn" có nguồn gốc từ dự án Mahatan, nhà thực nghiệm tìm tiết diện phản ứng lớn neutron chậm với ngun tử, họ mơ tả lớn "kho thóc" (barn) Bài thực tập số Tán xạ Rutherford Các kết thí nghiệm tán xạ Rutherford diễn đạt cách thuận tiện tiết diện đơn vị góc khối Góc khối góc khối detector so với bia, đo đơn vị steradians (sr) Cơng thức tính góc khối sau: 𝐴𝑑 𝑅2 Với 𝐴𝑑 thể tích nhạy detector R khoảng cách bia detector Tiết diện phản ứng đo đơn vị barn/steradian hay thuận tiện milibarn/steradian (mb/sr) Tiết diện tiết diện vi phân, đặc trưng cho xác suất đơn vị góc khối mà hạt alpha bị tán xạ góc tán xạ xác định 𝜃 Biểu thức lý thuyết tiết diện tán xạ đàn hồi Rutherford hệ tọa độ PTN sau: ∆𝛺 = 𝑑𝜎 𝑍1 𝑍2 (𝑥 + cos 𝜃)2 𝜎𝑅 (𝐸, 𝜃) = = 0.0207302 × ( ) [ ] 𝑏/𝑠𝑟 𝑑𝛺 2𝐸0 𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛4 𝜃 𝑀 𝐴 (1) 1/2 Với 𝑥 = (1 − ( ) 𝑠𝑖𝑛2 𝜃) , Z1 Z2 tương ứng số hiệu nguyên tử hạt tới bia, E0 lượng chùm hạt tới đơn vị MeV, M số khối nguyên tử hạt tới, A số khối hạt nhân bia Số hạt nhân tán xạ đàn hồi lớp mỏng (1) đơn nguyên tố theo góc 𝜃 cho biểu thức: (𝑁𝑡)𝑁𝑝 𝛺𝜎𝑅 (𝐸0 , 𝜃) (2) 𝐹 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛼 Trong đó: 𝑁𝑝 tổng số hạt tới bia, 𝛺 (sr) góc khối, 𝜎𝑅 (𝐸0 , 𝜃) tiết diện vi phân cho công thức (1), 𝛼 góc chùm hạt tới pháp tuyến mặt phẳng tới, F hệ số hiệu chỉnh (2) ; N mật độ khối nguyên tử bia, tính theo đơn vị hạt /cm3, t bề dày bia theo đơn vị cm, (𝑁𝑡) mật độ mặt nguyên tử bia, tức số nguyên tử bia cm2, nghiên cứu phản ứng hạt nhân, người ta thường sử dụng đơn vị mật độ mặt (người ta dùng mật độ mặt tính theo khối lượng) 𝐴= Một thơng số quan trọng khác thực nghiệm tán xạ ngược Rutherford hệ số động học tán xạ ngược, xác định biểu thức: 1/2 𝑀 𝑀 (1 − ( 𝐴 ) 𝑠𝑖𝑛2 𝜃) + 𝐴 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝐾= (3) 𝑀 1+ 𝐴 [ ] Đại lượng có ý nghĩa tỉ lệ lượng hạt tới lượng hạt tán xạ, lượng hạt tán xạ vào detector tính: 𝐸 = 𝐾 ∙ 𝐸0 (4) Trong thí nghiệm thực Geiger Marsen,hạn chế mặt kỹ thuật thời điểm cho phép tiến hành đếm số hạt alpha tán xạ đập vào chắn kẽm sunfat mà xác định giá trị lượng hạt alpha tán xạ Trong thí nghiệm này, với việc sử dụng detector đo hạt tích điện(detector Si hàng rào Đối với mẫu mỏng, suy giảm lượng chùm hạt qua lớp không đáng kể Hệ số cho trước tiến hành thí nghiệm, liên quan đến sai số hệ thống thiết bị Bài thực tập số Tán xạ Rutherford mặt), hồn tồn xác định phổ lượng hạt alpha tán xạ với độ phân giải lượng định Hình Phổ tán xạ Rutherford mẫu vàng mỏng kính, bề dày ~200 x 1015 atom/cm2 Phổ tán xạ ngược Rutherford lớp mỏng có dạng tựa Gauss hình trên, diện tích đỉnh phổ giá trị A công thức (2) Từ thực nghiệm đo phổ tán xạ ngược xác định diện tích đỉnh phổ tương ứng với hạt tán xạ từ lớp mỏng cần khảo sát, dựa vào xác định tiết diện tán xạ đàn hồi Rutherford theo cơng thức (2) Ngồi ra, từ vị trí đỉnh phổ xác định lượng hạt tán xạ mà tính theo cơng thức (4) Bài thực tập số Tán xạ Rutherford THỰC NGHIỆM Quan sát tượng tán xạ Rutherford Dụng cụ thí nghiệm - Máy gia tốc tĩnh điện Tandem 5SDH-2, lượng cực đại 3.4 MeV/q - Hệ phổ kế RBS gồm: Detector sillicon hàng rào mặt SSB, có độ phân giải lượng 11 KeV đỉnh 5.486 MeV 241Am, tiền khuếch đại, khuếch đại, phân tích đa kênh, máy tính thu thập liệu - Detector đặt vị trí góc tán xạ 𝜃 = 1700 - Bộ đếm dòng - Bia mẫu chuẩn vàng kính, có bề dày lớp vàng ~200 x 1015 atom/cm2 INJECTION MAGNET ANALYZING MAGNET Slits ACCELERATOR RF ION SOURCE Electrostactic focusing, steering devices Slits Magnetic focusing, steering devices TARGET SSB DETECTOR TARGET CURRENT PREAMP MULTI-CHANNEL ANALYZER AMP Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm tán xạ ngược Rutherford Các bước tiến hành Thiết lập hệ đo hình vẽ, kiểm tra kết nối Khởi động hệ máy gia tốc, gia tốc chùm tia với thông số sau: Loại chùm tia: 4He+ (3) Năng lượng: 2.428 MeV Cường độ chùm tia: >10 nA Cho mẫu vàng kính vào buồng chiếu mẫu (theo dẫn g.v hướng dẫn) Khởi động chương trình thu thập liệu RC43 a Từ hình chính,click chọn chương trình RC43, cửa sổ xuất sau b Sử dụng cửa sổ Manipulator tiến hành điều chỉnh vị trí mẫu cho vị trí chùm tia đánh dấu hình nằm trọn bia vàng kính góc chùm tia pháp tuyến mặt phẳng mẫu α=0 (theo dẫn g.v hướng dẫn) Tùy theo điều kiện cụ thể, phải sử dụng chùm tia H+, ý nghĩa thí nghiệm không thay đổi Bài thực tập số Tán xạ Rutherford c Chọn cửa sổ NEC RC43 ANALYTICAL DATA COLLECTION, vào mục DATA COLLECTION, chọn Collect data d Cửa sổ Full Energy Data Collection xuất hiện, bỏ chọn phần MCAs displayed lựa chọn RBG, PIX NRA Tăng cao detector hàng rào mặt cách từ từ điểm làm việc 100V Đặt trước giá trị tổng điện tích ghóp chùm hạt cửa sổ Full Energy Data Collection, ô charge uC Đặt tên file liệu tùy ý ô Filename Kiểm tra lại lần thông số cần thiết để tiến hành thí nghiệm Trên cửa sổ Full Energy Data Collection, click vào nút Manual collect để bắt đầu cho chùm ion tán xạ vào mẫu Quan sát phổ RBS thu Khi giá trị bên phải ô Charge uC 0, phép đo kết thúc, chương trình tự động lưu lại file có chứa phổ RBS thư mục định 10 Ghi nhận lại thơng số thí nghiệm phổ RBS thu Bài tập Từ phổ RBS thu Xác định diện tích đỉnh tương ứng với lớp vàng mỏng mẫu Xác định lượng hạt tán xạ (với giá trị chuẩn lượng hệ phổ kế RBS cho trước) Kết hợp với thơng số thí nghiệm, sử dụng cơng (2) xác định tiết diện tán xạ, so sánh với giá trị lý thuyết tính cơng thức (1) Từ lượng hạt tán xạ xác định được, tính hệ số động học tán xạ ngược sử dụng công thức (4), so sánh với giá trị lý thuyết tính cơng thức (3) Câu hỏi Tại thí nghiệm Geiger - Marsen, cần phải sử dụng mẫu vàng dát mỏng? Nếu sử dụng chùm tia với lượng khác giá trị chuẩn lượng hệ phổ kế có khác khơng? Tại sao? Phổ RBS mẫu vàng thay đổi sử dụng bia vàng kính có bề dày lớp vàng lớn hơn?