Изучение рассеяния альфа-частиц

Литература

1.  Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс, Фейнмановские лекции по физике, т. 3, Излучение, волны, кванты. Мир, Москва, 1965.

2.  Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике, т. 8, Квантовая механика (1), Мир, Москва, 1966.

3.  Г. С. Ландсберг. Оптика, Наука, Москва, 1976.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

Изучение рассеяния альфа-частиц

Краткая теория

Проведенные в 1910 -1911 гг. под руководством Э. Резерфорда эксперименты убедительно доказали, что внутри атомов существует положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома. Размеры ядра не превышают 10-13 см. Отрицательно заряженные электроны находятся на орбитах вокруг атома и определяют его размеры: ~ 10-8см.

Резерфорд рассеивал пучок α-частиц (дважды ионизированных атомов гелия Не++) на тонкой золотой фольге толщиной 4ּ10-5 см. В результате электромагнитного взаимодействия с положительно заряженным ядром атома α — частицы начинают двигаться по искривленной траектории, форма которой зависит от закона распределения положительного заряда атома в пространстве. Взаимодействие с электронами можно не учитывать из-за очень большого различия масс электрона и α — частицы.

В начале 1900-х гг. Дж. Дж. Томсон предложил модель атома, согласно которой внутри положительно заряженной среды находились электроны, подобно изюму в пудинге. Эта модель получила шутливое название «пудинга». При рассеянии α — частиц на таком атоме должно было бы наблюдаться очень малое отклонение этих частиц от первоначальной траектории.

Наблюдения Резерфорда и его сотрудников убедительно показали, что часть α — частиц (хотя и небольшая) рассеивается под очень большими углами. С точки зрения существовавших до того времени представлений о структуре вещества, это было совершенно невероятным событием, однако оно вполне находило объяснение, если предположить, что весь положительный заряд атома сосредоточен в ядре. Расчеты, основанные на законах классической механики и предполагающие, что α — частицы сталкиваются с точечным ядром (размеры которого настолько малы, что ими можно пренебречь), позволяют найти число α — частиц, рассеянных в единицу времени на единицу площади под углом, заданным направлением движения частиц до и после рассеяния [1, ст.536].

(1)

§  dn’ — количество рассеянных частиц

§  n0 — количество частиц, пролетающих в единицу времени через единицу площади поперечного сечения пучка

§  N — количество атомов, приходящееся на единицу площади фольги

§  r — расстояние от точки рассеяния до точки наблюдения

§  e — заряд частицы

§  E — величина заряда атома (ядра)

§  M — масса частицы

§  V — скорость частицы

§  Θ — угол рассеяния

Большая часть α — частиц почти не отклоняются от первоначального направления движения, однако и число частиц, рассеянных под углами, превышающими π/2, не равно нулю.

Модель эксперимента

Программа DispAlphPart моделирует работу гипотетической экспериментальной установки, которая позволяет исследовать рассеяние, происходящее при прохождении пучка α — частиц через тонкую металлическую фольгу. Динамическую картину рассеяния можно наблюдать визуально, а количественные результаты модельных измерений автоматически сохраняются программой.

Эти результаты можно использовать для подтверждения теоретических предположений.

Из уравнения (1) следует, что величина произведения должна оставаться постоянной при изменении угла Θ.

Учитывая, что количество зарегистрированных частиц Np, подсчитывается в модели за одинаковые интервалы времени и на одной и той же площади, произведение (2) также должно оставаться постоянным.

Для проверки этого вывода в лабораторной работе необходимо выполнить ряд измерений для различных углов рассеяния и получить для каждого измерения значения количества зарегистрированных частиц Np. Далее необходимо рассчитать величины соответствующих произведений (2) и сравнить их между собой.

Описание программы

Главная форма приложения

Главная форма приложения (Рис.1) представляет гипотетическую установку, предназначенную для изучения рассеяния альфа-частиц.

В верхней части формы расположено Главное меню (1), в средней — основные компоненты установки (2), в нижней части — Панель управления установкой (3).

Главная форма открывается автоматически при запуске программы.

Описание меню, компонентов установки и панели управления представлено в соответствующих разделах.

Главное меню

Главное меню состоит из трех частей: «Модель», «Сервис» и «Справка».

Меню «Модель» содержит команды управления модельной установкой, меню «Сервис» — вспомогательные команды для создания отчета и обработки результатов. В меню «Справка» представлены команды управления справочной системой.

Рис.1 — Главная форма приложения

Описание команд меню «Модель»

Пункт меню «Задать угол» позволяет случайным образом задать угол поворота Детектора для регистрации рассеянных частиц.

Пункт «Источник вкл./выкл.» включает — выключает Источник излучения альфа-частиц и Детектор.

Команда меню «Создать отчет» запускает программу Microsoft Word и создает в папке приложения документ отчета, в соответствии с заложенным в программу шаблоном.

Команда меню «Выход» завершает работу приложения.

Для удобства пользователей все основные пункты меню «Модель» продублированы соответствующими элементами на Панели управления.

Описание команд меню «Сервис»

Пункт меню «Копировать список» помещает в буфер обмена результаты измерений, находящиеся в списке Журнала результатов. Эти данные можно вставить в документ отчета.

Команда меню «Очистить список» позволяет при необходимости удалить все записи из списка результатов.

Команда «Удалить строку» удаляет текущую (выделенную) запись из списка.

Пункт меню «Калькулятор» вызывает системное приложение Калькулятор, с помощью которого можно обработать полученные данные для оформления отчета.

Команды меню «Сервис» доступны также из Контекстного меню.

Описание команд меню «Справка»

Пункт «Вызов справки» открывает справочный файл программы.

Пункт «О программе» открывает окно с информацией о программе и ее авторе.

Контекстное меню

Это меню можно вызвать, установив курсор мыши в пределах Журнала результатов и щелкнув правой кнопкой мыши. Оно дублирует основные команды, представленные в меню «Сервис» Главного меню.

С помощью Контекстного меню удобно выполнять команды копирования результатов в буфер обмена, а также команды удаления записей.

Компоненты установки

Модельная установка состоит из компонентов, представленных на Рис.2:

1. Источник альфа-частиц

2. Металлическая фольга

3. Детектор рассеянных частиц

4. Измерительный блок

5. Журнал результатов измерений

Рис.2 — Компоненты установки

Каждый из компонентов выполняет самостоятельные функции, и вместе они моделируют работу установки в целом.

Источник альфа-частиц

Источник имитирует пучок альфа-частиц, вылетающих из свинцового контейнера с радиоактивным препаратом.

В естественных условиях движение пучка альфа-частиц и их рассеяние не может наблюдаться визуально, однако модель позволяет пользователю наблюдать перемещения частиц в виде белых точек на черном фоне для более полного восприятия и понимания изучаемого явления.

Управление работой Источника осуществляется с Панели управления и из Главного меню.

Металлическая фольга

На пути пучка частиц помещена Металлическая фольга, при прохождении через которую, альфа-частицы рассеиваются в различных направлениях.

Детектор рассеянных частиц

В реальных опытах Э. Резерфорда для изучения рассеяния альфа-частиц применялся микроскоп, который позволял наблюдать вспышки («сцинцилляции») на флюоресцирующем экране.

В модели для этих целей используется Детектор. В процессе работы он регистрирует частицы, рассеянные под соответствующим углом. По завершению цикла измерений, результаты автоматически заносится в Журнал результатов.

Угол регистрации (угол поворота Детектора) устанавливается случайным образом с помощью кнопки на Панели управления или меню.

Измерительный блок

В реальном эксперименте — это металлический корпус, в котором укреплен микроскоп и источник излучения альфа-частиц. Источник можно поворачивать на заданный угол.

В модели Измерительный блок — это элемент, объединяющий в единую конструкцию все основные компоненты установки и позволяющий наблюдать процесс рассеяния частиц.

Журнал результатов измерений

Этот компонент модели выполняет функции лабораторного журнала, в него автоматически записываются результаты модельного эксперимента: угол измерения и количество зарегистрированных частиц.

Эти результаты можно скопировать в отчет, для обработки и анализа.

Элементы панели управления

Панель управления объединяет элементы, предназначенные для контроля и управления работой модели (Рис.3).