Методические указания к лабораторной работе №128 по физике для студентов специальности 010701 «Физика»




НазваМетодические указания к лабораторной работе №128 по физике для студентов специальности 010701 «Физика»
Дата канвертавання02.12.2012
Памер99.46 Kb.
ТыпМетодические указания


Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«Тихоокеанский государственный университет»


ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА.

Методические указания к лабораторной работе № 128

по физике для студентов специальности 010701 «Физика»


ТОГУ 2010

УДК 535.2


: методические указания к лабораторной работе №128 по физике для студентов специальности 010701 «Физика / сост. В. В. Насыров. – Хабаровск : Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2009. – 8 с.


Методические указания к лабораторной работе №128 составлены на кафедре «Физика». Содержат указания по изучению опыта Резерфорда. Объем выполнения лабораторной работы – 2 часа.


Печатается в соответствии с решениями кафедры «Физика» и методического совета факультета математического моделирования и процессов управления.


© Тихоокеанский государственный университет, 2010

Цель работы:

Проверка формулы Резерфорда.

Задача:

Определение показателя адиабаты.

Приборы

Учебно-лабораторный измерительный комплекс на базе персонального компьютера



Введение


Основным методом исследования структуры частиц и свойств микромира является зондирование вещества заряженными частицами. Объектами исследования методом зондирования могут быть поверхности твердых тел, молекулы, атомы, атомные ядра, элементарные частицы, при этом экспериментальная техника подразумевает наличие в установке как минимум трех элементов:

  1. источника зондирующих частиц;

  2. мишени;

  3. детектора рассеянных (выбитых) частиц.

Физические исследования получаемых в таких экспериментах данных обычно сводятся к изучению угловых и энергетических закономерностей рассеяния частиц мишенью, зарядовому и массовому составу выбитых частиц. Теоретическая интерпретация, этих закономерностей позволяет восстановить свойства частиц мишени и окружающих их полей.

Основная задача, поставленная в опыте Резерфорда, состояла в том, чтобы по угловому распределению рассеянных альфа-частиц ответить на вопрос, как распределены масса и заряд атома.

Рис. 1 Схема опыта Резерфорда.


В методе, предложенном Резерфордом в 1911 году (рис. 1), пучок -частиц, вылетающих из радиоактивного источника со скоростью  10см/с направлялся на мишень, представляющую собой тонкую золотую фольгу толщиной в 1 мкм, ( атомных слоев). Флуоресцирующий экран, поставленный за мишенью, вспышками отсчитывал число -частиц, прошедших через мишень и рассеявшихся на угол .

Результаты опыта можно свести к двум наиболее важным пунктам:

  1. большая часть альфа-частиц отклонялась на малые углы, в среднем 2о-3о и распределение по углам этих частиц соответствовало нормальному закону,

  2. некоторое число частиц отклонялось на большие углы, а отдельные частицы изредка рассеивались даже на углы, близкие к 180о.

На основании полученных результатов Резерфорд сделал следующий вывод: вся масса атома практически целиком сосредоточена в положительно заряженном малом объеме, называемом ядром. Размеры ядра на 4-5 порядков меньше размеров атома, который, по модели Резерфорда, представляет собой систему электронов, двигающихся вокруг ядра наподобие планет вокруг Солнца.

Краткая теория


Основной величиной, определяемой в любом столкновительном эксперименте является дифференциальное сечение d:

[см2] (1)

где dA число рассеянных в единицу времени частиц в элемент телесного угла d, под углом  к оси падающего на мишень пучка

dA=dN/t (1a)

dN - полное число частиц, попавших в детектор за время t; j – плотность потока пучка, n - число рассеивающих центров, т.е. число частиц, ;находящихся в объеме мишени, занимаемом пучком (см. рис.2).

j=N/(tSm), (1b)

где N – число частиц в прямом пучке, Sm – площадь отверстия коллиматора, определяющая сечение пучка, t – время измерения/


Рис. 2 Траектории -частиц в поле ядра.


Дифференциальное сечение – это величина, характеризующая вероятность рассеяния под данным углом. Эта величина зависит от угла рассеяния  и не зависит от n. Дифференциальное сечение пропорционально элементу телесного угла d, занимаемого детектором, поэтому, чтобы избежать разнозначности в разных экспериментах, обычно используют дифференциальное сечение, приведенное к единичному телесному углу:

(2)

Величина дифференциального сечения I() не зависит от числа рассеивающих центров. Для того, чтобы измерить I(), необходимо измерить две величины – j и dA и рассчитать число рассеивающих центров n:

n=n0LSm (3)

где n0 - концентрация атомов мишени, L - ее толщина, Sm - площадь поперечного сечения пучка, ограниченная отверстием коллиматора) и элемент телесного угла

(5)

Sd - площадь детектора, R - расстояние от мишени до детектора.


При рассеянии альфа частиц на ядре с зарядом Z выражение для приведенного дифференциального сечения можно получить [2] в следующем виде (формула Резерфорда):

(6)

где Е – энергия налетающей на ядро альфа частицы.

Описание установки и метода измерений

Базовая лабораторная установка


Учебно-лабораторный комплекс (УЛК) является моделью экспериментальной установки. УЛК, блок-схема которого приведена на рис. 2, состоит из радиоактивного источника -частиц (1), мишени (2), детектора (3).

Рис. 3.


Источник (1) – изотоп 238Pu, испускающий α-частицы с энергией E =5.48 МэВ с интенсивностью счета под прямым пучком ~ 105-106 имп/с.

Мишень (2) – золотая фольга:

толщина L = 1 мкм

атомный вес AAu=197,2

плотность ρ = 19.3 г/см3

заряд ядра ZAu=79

??Детектор (3) состоит из сцинтилляционного -спектрометра (3a), помещенного в свинцовую защиту от космических лучей (3b).

Приборная часть


Установка, представляет собой макет вакуумированной камеры (рис. 4), Основные узлы установки:

Рис. 4 Внешний вид установки.

Источник α-частиц (1). На боковой поверхности его имеется светодиод, фиксирующий «включение» источника, что соответствует выведению ампулы с радиоактивным. «Включение» источника осуществляется кнопкой «источник» на передней панели корпуса прибора.

В УЛК отсутствует настоящий радиоактивный источник, и все результаты эксперимента генерируются на основании базы экспериментальных данных.

Мишень(2) установлена на подвижной подставке. Рычажком его можно убрать из-под пучка α-частиц.

Подвижный полупроводниковый Детектор (3) регистрирует попадающие в него -частицы. Сигналы с детектора через усилитель попадают на пересчетную схему, и выводится компьютер в виде спектра рассеянных частиц (рис.3). Включение детектора производится кнопкой «ФЭУ» на передней панели корпуса прибора.


Рис. 5. Спектр альфа-линий Pu238.


Параметры установки:


  1. Коллиматор: Диаметр отверстия Dn=0,4 см

  2. Детектор. Диаметр DД=0,5 см

  3. Расстояние от центра мишени до детектора R=12 см.

  4. Давление в камере рассеяния P~ 1 мм рт столба.

  5. Энергетический спектр -частиц состоит из двух тесно расположенных линий 5491 кэВ и 5450 кэВ. Первая по интенсивности составляет  65%, а вторая - 35 % . Средневзвешенное значение Е 5,48 МэВ (рис.5).



Компьютерно - программная часть.





Рис. 6 Вид экрана с набранным спектром
Важной инструментальной и обработочной частью эксперимента является компьютер, в функции которого входят управление аппаратной частью, демонстрация процесса эксперимента, набор экспериментальных данных и обработка результатов.

Описание экрана.

Запуск программы производится через ярлык “Опыт Резерфорда”. После запуска программы пользователю целесообразно ознакомиться с пунктами путеводителя.

Основное окно программы (рис. 6) содержит верхнюю и нижнюю инструментальны строки. В верхней инструментальной строке расположены значки различных процедур со всплывающими окнами пояснения. В нижней части экрана имеется информационная строка, которая постоянно представляет краткую информацию на данный момент времени. Все основные части программы снабжены подробными пояснениями доступными через значок – “Справка”.

Левая часть экрана содержит окна, информирующие пользователя о состоянии прибора и основного параметра - угла рассеяния. Правая часть экрана демонстрирует схему эксперимента, работающую в автоматическом режиме, и при включении набора спектра переключается в его демонстрацию. Над этой частью экрана имеются указатели переключения режима работы: "Схема опыта", "Набор спектра", "Таблица".

Выполнение работы

I.Подготовка к работе



ВНИМАНИЕ: При изменении положения детектора или мишени детектор необходимо предварительно отключать!

  1. Включите прибор кнопкой «Сеть». Включите компьютер.

  2. Запустите программу через ярлык «Эксперимент» в папке «УЛК Опыт Резерфорда»

  3. Введите свое имя и группу в окне запроса

  4. Нажмите значок  «Содержание» в панели инструментов, в появившемся окне выберите пункт «Схема опыта Резерфорда». Рассчитайте и введите значение элемента телесного угла (5).

Перейти к следующему пункту программы Вы сможете, только при вводе правильного значения.

Нажмите значок  «Содержание» в панели инструментов, в появившемся окне выберите пункт «Определение энергии альфа-частиц» .

II.Калибровка спектрометра


Для калибровки установки следует установить соответствие между номером канала детектора и энергией регистрируемой в этом канале частицы.

Последовательность действий:

  1. Загрузите спектр альфа-частиц (кнопка "Загрузить").

  2. Установите маркер в окне со спектром на альфа-линию Pu239, имеющую энергию 5165 кэВ (это самая высокая линия на спектре). Нажмите кнопку ">" для запоминания номера канала, соответствующего данной линии.

  3. Установите маркер в окне со спектром на альфа-линию Cm244, имеющую энергию 5790 кэВ (это крайняя правая линия). Нажмите кнопку ">" для запоминания номера канала

  4. Установите маркер в окне со спектром на альфа-линию Pu238, (это вторая справа линия, энергию которой надо определить). Нажмите кнопку ">" для запоминания номера канала.

  5. Рассчитайте и введите значение энергии альфа-линии Pu238, считая, что зависимость энергии спектральной линии от номера канала - линейная.

  6. Нажмите значок  «Содержание» в панели инструментов, в появившемся окне выберите пункт «».

Теперь Вы можете перейти к выполнению эксперимента.

III.Выполнение эксперимента


Время экспозиции.

Основная погрешность в данных экспериментах возникает из-за случайного характера распада ядер и возникающего при этом разброса в измерении числа частиц, регистрируемых детектором. Для достижения требуемой точности необходимо выбрать правильные промежутки времени в течение успеет набраться достаточное количество отсчетов регистрируемых частиц . С учетом случайного характера радиоактивного распада можно получить следующую оценку количества отсчетов:

(13)
- относительная ошибка, определяющая точностью счета регистрируемых частиц.

Последовательность действий:

  1. Нажмите значок  «Содержание» в панели инструментов, в появившемся окне выберите пункт «Определение плотности тока пучка».

  2. Кнопкой «проверка вакуума» запустить проверку состояния вакуумированной системы (в окне индикатора должно быть ~ 1 мм рт. столба).

  3. Рукоятку, расположенную на левой боковой части прибора, повернуть против часовой стрелки и вывести мишень (если она до этого находилась в вертикальном положении) из-под пучка, уложив ее горизонтально.

  4. При угле рассеяния  = 0о измерить число частиц N прямого потока за время t= 10 сек. Вычислить плотность тока пучка j (1b).

  5. Ввести мишень под пучок (предварительно отключив детектор). Мишень должна быть зафиксирована в вертикальном положении.

  6. Исходя из точности I = 0,1% в определении дифференциального сечения, рассчитать необходимое число регистрируемых частиц (13).

  7. Провести измерения числа рассеянных частиц для углов  = 10о, 20о, 30о, 40о и 50о. Все результаты занести в таблицу.

Измерения проводить до получения количества отсчетов не менее.

  1. Рассчитать теоретическое значение Iтеор() по формуле (6), Iэксп() по формуле (2). Занести данные в таблицу.




Θ, градус

dN

t, сек

dA

Iэксп()

dIэксп()

Iтеор()

10



















20



















30



















40



















50






















  1. Построение графиков экспериментальной и теоретической кривых производится кнопкой «График» в панели инструментов. Вы получите график …….., полученныых теоретически (сплошная линия) и экспериментально (крестики).

  2. Нажмите кнопку «Печать». Будет сформирован лист отчета с вашими результатами.

Если к компьютеру не присоединен принтер, то скопируйте результат в буфер кнопкой «Print Screen». Запустите графический редактор (например, Paint), вставьте информацию из буфера нажатием CTRL+V, затем сохраните файл на внешний носитель для последующей распечатки.


Литература


  1. Э.В.Шпольский. Атомная физика. М., Наука, 1984.

  2. И.В.Савельев. Курс общей физики. М., Наука, 1982.

  3. А.Бейзер. Основные представления современной физики. М., Атомиздат, 1973).

Оглавление


Введение 5

Краткая теория 5

Описание установки и метода измерений 7

Базовая лабораторная установка 7

Приборная часть 7

Параметры установки: 7

Компьютерно - программная часть. 8

Выполнение работы 8

I.Подготовка к работе 8

II.Калибровка спектрометра 8

III.Выполнение эксперимента 9

Дадаць дакумент у свой блог ці на сайт

Падобныя:

Методические указания к лабораторной работе №128 по физике для студентов специальности 010701 «Физика» iconМетодические указания и задания для выполнения контрольных работ для студентов, обучающихся по заочной форме специальности 270802 Строительство и эксплуатация зданий и сооружений 2012 г
Методические указания предназначены для студентов заочного отделения специальности 270802 Строительство и эксплуатация зданий и сооружений...

Методические указания к лабораторной работе №128 по физике для студентов специальности 010701 «Физика» iconМетодические указания к лабораторной работе 7 поверка измерительного преобразователя перепада давления с пневматическим
Поверка измерительного преобразователя перепада давления с пневматическим выходным сигналом- для студентов специальности 210100-Управление...

Методические указания к лабораторной работе №128 по физике для студентов специальности 010701 «Физика» iconМетодические указания к курсу лекций, семинарским и практическим занятиям по дисциплине «теория и история искусства»
Методические указания предназначены для студентов 1-го курса специальности 031401 культурология очной формы обучения. Могут быть...

Методические указания к лабораторной работе №128 по физике для студентов специальности 010701 «Физика» iconПрограмма, методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения специальности 330200 санкт-петербург
...

Методические указания к лабораторной работе №128 по физике для студентов специальности 010701 «Физика» iconМетодические указания по подготовке студентов к государственной итоговой аттестации по специальности Учебно- метод пособие
Методические указания по подготовке студентов к государственной итоговой аттестации по специальности

Методические указания к лабораторной работе №128 по физике для студентов специальности 010701 «Физика» iconУчебно-методические материалы к лекции, лабораторной и самостоятельной работе по теме Класс Cephalopoda Пермь 2012 Автор: В. П. Ожгибесов
Ожгибесов В. П. Палеонтология: Класс Cephalopoda / Учебно-методические материалы к лекции, лабораторной и самостоятельной работе...

Методические указания к лабораторной работе №128 по физике для студентов специальности 010701 «Физика» iconМетодические указания и контрольные задания для студентов заочного отделения направление 654700 Информационные системы
Методические указания предназначены для организации самостоятельной работы студентов заочного отделения при изучении общеинженерного...

Методические указания к лабораторной работе №128 по физике для студентов специальности 010701 «Физика» iconБиологический мониторинг программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения специальности 330200
Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г. В. Плеханова (технический университет)

Методические указания к лабораторной работе №128 по физике для студентов специальности 010701 «Физика» iconМетодические указания к проведению практических работ по дисциплине «Экономическая теория»
Методические указания к проведению практических работ по дисциплине «Экономическая теория» для студентов специальности «Менеджмент...

Методические указания к лабораторной работе №128 по физике для студентов специальности 010701 «Физика» iconМетодические указания предназначены для студентов 4,5 курсов специальности 280102 «Безопасность технологических процессов и производств»
Рецензент: А. А. Кирюшкин, канд хим наук, зав кафедрой обеспечения жизнедеятельности и охраны труда

Размесціце кнопку на сваім сайце:
be.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©be.convdocs.org 2012
звярнуцца да адміністрацыі
be.convdocs.org
Галоўная старонка