Temi B e C. Alla scoperta del nucleo atomico: l esperimento di Rutherford. Francesca Casaburi, Riccardo Cortivo, Andrea Turcato

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1 Temi B e C Alla scoperta del nucleo atomico: l esperimento di Rutherford Francesca Casaburi, Riccardo Cortivo, Andrea Turcato Informatica e Fisica sperimentale Federica De Gaspari, Damiano Muzzolon, Carlotta Tagliaro 1

2 OBIETTIVI Esperimento di Rutherford con acceleratore Acquisizione dati di fisica sperimentale Caratterizzazione della catena elettronica Analisi di spettri di fisica nucleare Applicazione delle tecniche di fisica nucleare nello studio di materiali Uso di strumenti informatici durante la misura e l analisi dati Presentazione di risultati scientifici 2

3 FISICA NUCLEARE Tema B APPARATO Tema C ELETTRONI CA E DAQ Tema C SPETTRI RISULTATI Tema B Tema B SOFTWARE S Tema C 3

4 ALLA SCOPERTA DEL NUCLEO I risultati ottenuti dall'esperimento di Rutherford (realizzato da Geiger e Marsden) vennero pubblicati nel 1911 e studiavano la deflessione di particelle alpha da un foglietto d'oro per verificare la validità del modello atomico di Thompson. Dunque ha collimato un fascio di particelle α verso una lamina d'oro (spessore 0,4 μm) e tutt'intorno ha posto un rivelatore di particelle (solfuro di Zinco [ZnS]) che scintilla una volta colpito da queste. 4

5 MODELLO DI RUTHERFORD Rutherford osservò che queste particelle venivano deflesse anche ad angoli maggiori di 90. Questi risultati lo portarono a rigettare il modello a panettone e a supporre che la carica positiva fosse confinata in un'area molto piccola attorno a cui si trovavano le cariche negative. Rutherford utilizzò nel suo esperimento delle sorgenti di particelle alfa, presumibilmente 226 Ra Calcolo della sezione d urto di Rutherford : 5

6 SPETTROMETRIA RUTHERFORD BACKSCATTERING (I) La Spettrometria Rutherford Backscattering è una tecnica che permette di rivelare le particelle che vengono deflesse dopo aver colliso con il nucleo del bersaglio. Essa consiste nell'inviare un fascio di ioni (He+) accelerati fino ad un energia sull' ordine dei MeV su un campione bersaglio. Dopodichè viene misurata l'energia delle particelle del fascio dopo la collisione con il bersaglio (target). Tecnica - Informazioni sulla superficie dei materiali utilizzati con RBS una precisione del 5% - Rapidità in presa dati (ordine di minuti) - Tecnica non distruttiva - Esperimento Analisi quantitativa di Rutherford - Informatica 6

7 FATTORE CINEMATICO Nella tecnica RBS si studia il fattore cinematico: Ealpha diffusa = k * Efascio Massa atomica (u.m.a.) 7

8 PARTICELLE ALPHA Le particelle alpha derivano da un processo di decadimento dovuto alle interazioni forti, in cui viene emesso un nucleo di He, il nucleo acquista quindi una configurazione energetica minore. Il processo di decadimento alpha può essere schematizzato nel seguente modo: Il nucleo residuo è diverso da quello iniziale con massa atomica diminuita esattamente di quattro unità. 8

9 INTERAZIONE RADIAZIONE-MATERIA Le particelle alpha trasportano energia cinetica. Il principale effetto dell'interazione di queste radiazioni con la materia sarà la cessione di tutta o di parte dell'energia alla materia, fino alla riduzione delle particelle ad uno stato di quiete. L'energia delle alpha viene assorbita dal materiale soprattutto grazie agli urti di tipo Coulombiano con gliperdano elettroni. Perché le radiazioni tutta Formula di BetheBloch l energia servono molti urti con gli elettroni del mezzo. 9

11 FASCI DI PARTICELLE SORGENTI EMETTITRICI I nuclidi pesanti decadono emettendo particelle alpha( 4He2+). In questo esperimento è stata usata una sorgente tripla(id 84) formata da Americio (241Am), Curio (244Cm) e Plutonio (239Pu), nuclei che emettono particelle alpha. ELEMENTI ENERGIA (MeV) Pu (73%) Am (85.2%) Cm (76.4%) ACCELERATORE AN2000 Fascio collimato, monoenergetico e a alta intensità di nuclei 4 He+ 11

12 AN 2000 Acceleratore elettrostatico Tensione terminale massima 2 MV Studi con tecnica RBS fino a spessori µm Particella alpha fino a 2 MeV 12

13 ESPERIMENTO Accelerator e Magnete Linea di Fascio Camera di Reazione Rivelatore 13

14 RIVELATORE Il rivelatore è a semiconduttore a stato solido, di silicio. Quando la particella passa nel rivelatore, perde energia creando coppie elettrone-lacuna che «derivano» grazie al campo elettrico. Vengono raccolti gli elettroni di conduzione e si può ricavare l energia della particella. d.d.p. = 40.0 V Il rivelatore invia un segnale alla catena elettronica. 14

16 CATENA ELETTRONICA (I) Segnale del rivelatore Preamplificatore 16

17 CATENA ELETTRONICA (II) Forma gaussiana Integratore di carica Amplifica con guadagno G=100 (RBS) o G=20 (tripla sorgente alfa) Convertitore analogico-digitale (ADC) Amplificatore 17

18 CATENA ELETTRONICA (III) Traduce in codice binario Multicanale (MCA) Invia i dati 18

19 SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI (DAQ) FASI di MISURA: Start Initialize Running Stop Save Reset [ERROR] 19

21 ISTOGRAMMA CHANNELS 21

22 COME APPARE IL NOSTRO PRIMO SPETTRO? Substrat o carboni o Numero run Energia del fascio 2 MeV Angolo 160 Carica totale = 8,10 µc Un tempo di acquisizione di 13 minuti FWHM (media)= 5 canali Or o Cosa viene fuori? Picco dell impulsatore 22

23 E SE CAMBIASSIMO L ENERGIA? 5 spettri 1.8 MeV 1.6 MeV 1.4 MeV 1.2MeV MeV

24 ED IL MATERIALE??Nb Ni O Ti O Si 24

26 SEZIONE D URTO DELL ORO IN FUNZIONE DI ANGOLO Angolo Theta ( ) 160,0 150,0 140,0 130,0 120,0 110,0 108,5 Conteggi normalizzati ENERGIA Energia(keV) Conteggi normalizzati punti 26

27 GRAFICO IN 3D 27

28 RICERCA DELL ELEMENTO INCOGNITO Eleme nto M (u.m.a) Fattore cinematic o(k) Ossigen o 16,00 Silicio 28,09 0,57 1,14 Titanio 47,88 0,72 1,44 Nichel 58,69 0,77 1,54 0,37 NiobioElemento 92,91 0,85 incognito= Germanio! Canale 602 Energia 1 1,55 (MeV) Energia 0 2,00 Legnaro, (MeV) 26 giugno 2015 K 0,77 Energia(M ev) 0,74 1,70 28

29 PERDITA DI ENERGIA Legge di Attenuazione (o legge di Bethe-Bloch) Rivelatore Sorgente tripla oppure Il fattore di guadagno è passato da 100 a 20! Sorgente tripla Myla r Rivelatore Più le alpha sono energetiche, meno energia perdono! Sorgente Energia( Canali di Energia persa alpha MeV) differenza dopo il dopo il Mylar Mylar (C10 H8 (MeV) O5)n) Esperimento di Rutherford Plutonio 5, ,8004 Legnaro, 26 giugno 2015 Informatica Americio 5, ,

31 XRUMP mp è un software utilizzato per l analisi degli spettri raccolti durante le m ite XRump è possibile ottenere la rappresentazione grafica dello spettro cd.. ls Cd Spettri_2015/ Get JR11132.rbs pl Esperimento di Rutherford Reg 0 Informatica

32 EXCEL Excel è un software utilizzato per l analisi dati e per graficare questi ultimi. Ad esempio tramite questo software sono state realizzate le rette di calibrazione sia della sorgente tripla (di Americio, Curio e Plutonio) che dei target di diversi materiali. 32

33 ROOT E GNUPLOT (I) Il software Root è utilizzato per l analisi dei dati in svariati campi ed è in grado di analizzare sia file di modeste dimensioni che file di grandi dimensioni (Terabyte). Questo software è stato ideato al CERN nel gennaio del Il software Gnuplot è utilizzato per la realizzazione di grafici Grafico in Gnuplot con bande d errore e linee di tendenza. Grafico in Root 5 punti 33

34 ROOT E GNUPLOT (II) Macro di Root 5 locazioni di memoria 34

35 LABVIEW LabView è un software che ha permesso la simulazione di segnali elettronici. È stato possibile scegliere la forma dell impulso (in questo caso un onda a dente di sega) e regolare sia la frequenza che l ampiezza. Schermata LabView 35

36 SITO WEB (I) Sito web ideato, disegnato e amministrato dagli stagisti dei temi B e C. 36

37 SITO WEB (II) Pagina principale del sito 37

38 CONCLUSIONI Esperimento di Rutherford con acceleratore AN2000 Applicazioni di tecniche di fisica nucleare: Tecnica Rutherford BackScattering Osservazione e analisi di spettri Elettronica e sistemi di acquisizione dati PresentazioneEsperimento dei risultati in un sito web di Rutherford - Informatica 38

39 GRAZIE PER LA VOSTRA ATTENZIONE! 39

41 Back up slides 41

42 PARTICELLE ALPHA (II) In questa tabella sono rappresentati i tempi di decadimento di alcuni elementi che emettono radiazioni alpha e che si trovano normalmente in natura. 42

43 OSCILLOSCOPIO Segnale Inviato (giallo) Segnale di Gate (fuxia) Segnale di Busy (blu) Segnale di Get Ready Esperimento di Rutherford (verde)informatica 43

44 COS E IL RUTHERFORD BACKSCATTERING? E una tecnica utilizzata per investigare sugli strati superficiali di un materiale solido. Essa ci consente di ottenere delle informazioni utili circa la composizione del bersaglio da analizzare. I principali vantaggi sono : Alta precisione +/-5 % Alta sensibilità: fino ad un millesimo di strato Rapida e non distruttiva Indipendente dal legame chimico 44

45 COME FUNZIONA? Si dispone un fascio di particelle mono-energetiche (ioni He) in vuoto Assistiamo al backscattering ( letteralmente collisione all indietro) Gli ioni perdono la loro energia cinetica e la trasferiscono agli atomi del bersaglio. (la quantità di energia persa dipende dalle masse degli ioni e degli atomi bersaglio) la perdita di energia consente di identificare la composizione del Esperimento di Rutherford bersaglio 45 Informatica

46 QUALI SONO I SUOI PRINCIPALI UTILIZZI? - Misura dello spessore (in atomi/cm2) di film sottili e multistrati secondo la formula: N = A cos θ / (σωq) - Rivelazione di contaminanti superficiali nei solidi (strati ossidi, adsorbati, etc.) - Interdiffusione di film sottili - Composizione elementale di materiali complessi (leghe, composti, etc.) - Profili di concentrazione di elementi droganti nei semiconduttori - Applicazione industriale: monitoraggio del processo di produzione di film sottili (composizione e presenza di 46

47 XRUMP XRump è un software utilizzato per l analisi degli spettri raccolti durante le misure. Tramite XRump è possibile ottenere la rappresentazione grafica dello spettro È stata realizzata inoltre una breve guida dei comandi utilizzati maggiormente per questa esperienza. "cd..": per tornare alla cartella precedente "ls": per avere la lista di ciò che è presente nella cartella "cd xx": per entrare nella cartella xx "get xx.estensione": per caricare il file xx.estensione "pl": per ottenere lo spettro del file con la calibrazione "reg x xx": per ingrandire una regione compresa tra il canale x e il canale xx "cur": per ricevere informazioni su un punto dello spettro scelto dall'utente con il cursore Esperimento di Rutherford 47 "int": per calcolare l'integraleinformatica di una parte di spettro (della