Berühmter Streuversuch von Ernest Rutherford

stoppi · 22. Dezember 2020, 19:09

Hallo!

Ernest Rutherford (1871-1937) gilt als einer der bedeutensten Experimentalphysiker. Für seine Arbeiten bekam er auch den Nobelpreis 1908, aber in Chemie und nicht in Physik.

Mit seinem berühmten Streuversuch untermauerte er die neue Sichtweise über den Aufbau eines Atoms. Demnach besteht dieses aus einem sehr kleinen Kern und einer Elektronenhülle. Er gilt auch als Entdecker des Protons.

Für den Versuch benötigt man einen Alphastrahler, eine Goldfolie und einen Strahlungsdetektor. Im Originalexperiment verwendete Rutherford als Detektor Zinkszulfid, welches durch Beschuss mit Alphastrahlen Lichtblitze emittierte (Szintillation).

Als Strahlungsquelle verwende ich Americium-241 aus einem Rauchmelder. Die Aktivität ist mit 0.8 µCi angegeben. Die Goldfolie habe ich über ebay.com für kleines Geld erworben. Als Detektor verwende ich eine offene Photodiode BPX61. Die Elektronik dazu stammt zum Teil aus der Zeitschrift Elektor (Ausgabe November 2011). Die Zählrate wird mit einem sog. Tally-counter erfasst.

Die gesamte Anordnung muss sich natürlich in einem Vakuum befinden. Hier habe ich dankenswerterweise von der Firma Bopla (https://www.bopla.de/) ein Metallgehäuse gesponsert bekommen. An das Gehäuse ist ein einfaches Manometer (0-1bar) angeschlossen. Die Orientierung der Goldfolie + Alphastrahler lässt sich stufenlos verändern.

Der Streuversuch lässt sich auch recht einfach mit Excel simulieren. Dabei kann man die Energie der Alphateilchen, den Stoßparameter und die Kernladungszahl eingeben. Die schrittweise Lösung der Bewegungsgleichung erfolgt mit dem simplen Euler-Cauchy-Verfahren. Die Ergebnisse damit erscheinen sinnvoll (siehe Hyperbelbahnen).

Wenn ich erste Messungen gemacht habe, geht's hier weiter...

stoppi · 22. Dezember 2020, 19:13

Noch die fehlenden Bilder...

stoppi · 28. März 2022, 18:55

Hier geht es auch endlich ein wenig weiter. Habe mir vor einigen Tagen eine Drehschieberpumpe für meine Experimente gegönnt.

Auch bei der Elektronik zum Rutherford-Versuch musste ich etwas ändern. Ursprünglich führten die Anschlüsse zur Photodiode einfach aus der Vakuumkammer heraus. Ich ging davon aus, die BPX61 einfach mit der externen Elektronik verbinden zu können. Aber dem war leider nicht so. Ich erhielt extrem starke Störungen und die Alphateilchenpulse gingen im Rauschen nahezu unter. Deshalb habe ich nun die erste Verstärkerstufe gleich direkt in die Vakuumkammer verfrachtet. Außerhalb befindet sich jetzt nur noch der LM386 zur Ansteuerung des Piezosummers und des Zählers. Jetzt höre ich im Summer noch immer ein leichtes Rauschen, aber der Zähler spricht nun nur noch auf die Alphateilchen an.

Als Schaltung kommt der TIA von meiner Alphaspektroskopie zum Einsatz (siehe Schaltplan).

Ich warte nun nur noch auf einige Schlauchadapter, welche in den nächsten Tagen eintreffen müssten. Dann kann ich den Streuversuch starten...

NoLi · 28. März 2022, 19:21

Denk daran: Holz hat sehr viele Poren, in denen sich Luftmoleküle befinden.
Also nicht wundern, wenn das Vakuum durch Ausgasung immer wieder schlechter wird...

Norbert

stoppi · 28. März 2022, 19:23

Danke für den Hinweis, Norbert.

Henri · 28. März 2022, 20:25

Wie verhalten sich eigentlich Elkos im Vakuum?

Na, ich bin gespannt auf das Experiment. Die Teile für Deine Alphaspektrometrie-Schaltung habe ich auch schon ein paar Monate hier rumliegen, jetzt fehlt nur noch die Zeit zum Zusammenbau...

Viele Grüße!

Henri

Peter-1 · 28. März 2022, 22:33

Hallo,
den Elko würde ich auf keinen Fall in der Kammer lassen. Ein Keramik-Ko. mit 470nF in die Kammer und direkt außerhalb der Kammer dann ein 100µF. Ich gehe davon aus dass die Pumpe im Dauerlauf betrieben wird, denn Holz im Vakuum ist ganz schlecht. Aber ich will nicht Oberlehrer spielen.

stoppi · 29. März 2022, 17:28

Ich habe heute den Elko einmal gegen einen 1.5 µF-Folien-Kondensator getauscht und dann die Vakuumpumpe angeschlossen. Schlechte Nachricht: Komme derzeit nur auf 4 mbar runter. Gute Nachricht: Ein eklatantes Leck dürfte ich aber in der Vakuumkammer nicht haben...

Ich werde morgen die Zählraten überprüfen. Vielleicht reichen die 4 mbar eh nicht und ich muss mir etwas anderes einfallen lassen. Im Internet habe ich leider keine Formel für die Reichweite der Alphateilchen im Vakuum gefunden. Wenn aber eine einfache indirekte Proportionalität gilt, dann müsste die Reichweite gegenüber Atmosphärendruck auf das 250-fache ansteigen. Dies würde dann für die rund 10 cm zwischen Strahlenquelle und Detektor wiederum mehr als ausreichen...

NuclearPhoenix · 29. März 2022, 18:35

Zitat von: stoppi am 29. März 2022, 17:28
Im Internet habe ich leider keine Formel für die Reichweite der Alphateilchen im Vakuum gefunden. Wenn aber eine einfache indirekte Proportionalität gilt, dann müsste die Reichweite gegenüber Atmosphärendruck auf das 250-fache ansteigen. Dies würde dann für die rund 10 cm zwischen Strahlenquelle und Detektor wiederum mehr als ausreichen...

Das dürfte ungefähr eine einfache Abhängigkeit von der Dichte sein, so wie du es sagst. Siehe https://www.ikp.uni-koeln.de/fileadmin/data/praktikum/B3.3_alpha_de.pdf

stoppi · 30. März 2022, 17:12

Danke für den Link, Phoenix...

So, die ersten Messungen sind im Kasten. Die Zählrate beträgt bei 0° ca. 1 cps und sinkt dann ab 10° sehr stark ab auf Werte kleiner als 0.5 cpm.

Wie man sehen kann, deckt sich mein Verlauf recht gut mit einem Ergebnis aus dem Internet (http://www.nuclearphysicslab.com/npl/npl-home/experiments/rutherford-scattering/). Auch bei diesem sinkt die Zählrate schon bei geringem Streuwinkel sehr stark ab.

Mein Alphastrahler besitzt auch eine recht geringe Aktivität < 1 µCi. Bei Versuchsanleitungen war in der Regel von Strahlern mit 370 kBq die Rede, also deutlich mehr.

Man kann durch das Blattgold sogar Fotos machen, so dünn ist es. Morgen werde ich noch bei 20° eine Messung machen, damit mein Graph nicht nur aus 4 Punkten besteht.