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EXPERIENCE DE RUTHERFORD.
D.Rapin dec 2002
L'expérience de Rutherford est à la base de la physique nucléaire. Elle a mis en évidence la structure de l'atome et démontré l'existence du noyau atomique chargé positivement .
L'expérience consiste à envoyer un faisceau de particules alpha sur une mince feuille d'or et à observer la distribution des angles de diffusion. Si la matière était un mélange homogène de charges positives et négatives, la distribution aurait une forme gaussienne avec une rapide décroissance aux grands angles de diffusion. La présence d'une décroissance moins rapide en 1/ sin4(theta/2) et d'une probabilité de diffusion en Z2 et 1/E 2 calculable exactement à l'aide de la formule de Rutherford confirme la présence d'un noyau de charge Z· e .
Il s'agit pour les étudiants de mesurer la section efficace différentielle dsigma /domega à l'aide du dispositif esquissé ci-dessous:
La mesure se déroule dans le vide en utilisant comme projectiles les alphas de 5·48 MeV d'une source d' 241Am. La cible est une feuille d'or de 0·5 microns. Le détecteur au silicium de type surface barrier est connecté à un analyseur multicanal. Sa réponse est proportionnelle à l'énergie de la particule.
On veillera à ne pas endommager la source et le détecteur
lors des manipulations. La cible est fragile. Il ne faut pas toucher la
surface du détecteur.
Pour cette expérience, on suggère de procéder comme suit:
- Se familiariser avec le détecteur, l'analyseur multicanal et son logiciel.
- Mesurer l'activité de la source (intensité du faisceau, theta=0) avec plusieurs diamètres de collimateurs et plusieurs distances source-détecteur.
- On essayera d'évaluer l'épaisseur de la cible en comparant la perte d'énergie de la particule traversant la cible ou traversant diverses épaisseurs (pressions) d'air.
- On pourra aussi mesurer l'énergie des alphas par leur parcours dans l'air.
- On choisira les diamètres des collimateurs et les distances en tenant compte de leurs effets sur la résolution angulaire et le taux de comptage. (angle solide, diffusion multiple)
- On procédera aux mesures du taux de comptage et des spectres pour différents angles à gauche et à droite.
- Suivant ce que l'on observe, il pourrait être nécessaire de mesurer le bruit de fond sans cible et de le soustraire..
- Ajuster (fit) une courbe k / sin4(theta /2) sur les taux de comptage aux grands angles.
- comparaison de k avec ce que l'on peut attendre de la formule de Rutherford.
- ...autres effets, résolution angulaire, etc ...
Toutes initiatives (autres cibles, méthodes, ..etc) peuvent
naturellement être envisagées si le temps le permet.
W.R. Leo: Techniques for Nuclear and Particle Physics
Experiments
R.C. Fernov: Introduction to Experimental Particle
Physics
Bibliographie proposée: