Vi använder som alfa-källa 241Am. Den mindre källan (3,7 kBq) är öppen för att α-partiklarna kan komma ut med deras ursprungliga energi, utan energiförluster i skyddsfolier. De vanligaste α-energier är följande:
| Eα (keV) | Iα (%) |
| 5485.56 | 84.5 |
| 5442.80 | 13.0 |
| 5388.23 | 1.6 |
| 5544.5 | 0.34 |
| 5511.47 | 0.22 |
| 5469.45 | <0.04 |
| 5321.90 | 0.015 |
| 5416.27 | ~0.01 |
Det behövs alltså en mycket god upplösning för att kunna se de svaga övergångarna som ligger nära den starkaste peaken. Kiselskivan är tillräckligt tjock för att stoppa α-partiklar, men β-partiklar kan komma igenom, så att pulshöjden inte är proportionell mot de snabba elektronernas kinetiska energi.
Som detektor används en p-dopad kiselskiva. På baksida finns en guldelektrod. På framsidan finns ett 185 nm tjockt aluminiumskikt, som gör detektorn blind för synligt ljus. Vid rätt spänning uppstår ett 100 mm utarmningskikt bakom aluminiumskiktet. Det är tillräckligt tjockt för att stoppa a-partiklar med energier upp till 12 MeV. Partikelns energi räcker för många elektron-hål-par, och det ger en laddningspuls. Uppskatta storleksordningen av laddningspulsen för en 5 MeV partikel. Uppsammlingen av elektron-hål blir bättre vid högre spänningar över utarmningsskiktet. Därför ger 100 V större upplösning än 12 V.
Alfapartiklar har kort räckvidd i luft och därför skall vi under denna laboration använda oss av en vakuumkammare. Det är dessutom nödvändigt att använda vakuum då man vill göra precisionsmätningar av alfapartiklarnas energi (varför?). I kammaren placerar vi både detektor och preparat. Ett tryck under 5 hPa räcker gott för våra syften (en hektopascal = en millibar). Vi skall dessutom inte använda oss av tryck under 1 hPa eftersom detektorn kan skadas av plasmaurladdningar vid 100 V över dioden.
Aluminiumskiktet och provet ska vara tunna och rena. Jag har rengjort detektektorn från år av pumpolja, som gav en tydligt bättre upplösning. Det är inte uteslutet att rengöring av provet också skulle kunna förbättra upplösningen.
Detektorn är också känslig för β-partiklar, men kan inte bestämma deras energi eftersom de inte stoppas inom utarmningsskiktet. Man kan alltså bara använde den som β-räknare.
Förförstärkaren omsätter laddningspulsen till en spänningspuls. Förstärkningsfaktorn är ungefär 4.1012 V/C. Förstärkaren innehåller också en krets för att skydda detektorn från plötsliga spänningsändringar. Därför ska detektorn vara ansluten innan man anslutar spänningar på förförstärkaren.
Nästa steg är en stor burk som innehåller ytterlige förstärkning och en 1-kanals pulshöjdanalysator. Förstärkning kan vara i grova steg (1, 2, 3) och kontinuerligt. Man kan se utgångspulserna på ett oscilloskop. Det finns också en "lupp" (zoom). Att använda den ger högre upplösning i ett mindre område, men det blir svårare att göra en energikalibrering.
Istället för PhyWe's 1-kanals analysator använder vi en merkanalsanalysator (MCA, multi-channel analyzer): vår PocketMCA.
Montera det svaga Am-preparatet, 3.7 kBq (detta är oskyddat). Vi måste använda ett preparat som är helt oskyddat (de flesta preparat är överdragna med en tunn skyddshinna av t ex aluminium). Preparatet får naturligtvis inte vidröras. Stäng igen och skruva försiktigt fram preparatet mot detektorn så att det stannar ett par mm ifrån kanten. Lås stångskruven. Kammaren urpumpas till 0,8 hPa under det att låsskruvarna kontrolleras. Därefter kopplas pumpen bort genom att klämman på gummislangen stängs. Därefter stängs pumpen av. Trycket går upp till minst 1 hPa. Först nu skall detektorns förstärkare kopplas på. Kontrollera emellanåt att trycket håller sig inom tillåtna gränser. Vid denna mätning skall detektorn operera med 100 V spänning.
Starta en datainsamling. Antalet MCA-kanaler ska vara minst 4096. Förstärkningen ska vara så stor att alfa-peaken ligger till höger om mitten. Detta för att få så hög upplösning som möjligt. Kontrollera att antalet pulser inte överstiger 200 per sekund (varför?). Om så är fallet måste avståndet mellan preparat och detektor ökas.
När allting verkar just startas en längre datainsamling. Välj en lämplig tid så att de tre olika alfatopparna tydligt kan skönjas. Spektret kalibreras med hjälp av tabellvärdet för den största toppen och att kanal 0 tilldelas energin 0.
Fyll på luft i kammaren försiktigt. Använd luftskruven på detektorflansen. Stäng av detektorförstärkaren.
Du kan använda Igor (finns på PCn och på två
Macar i datasalen) för att göra en multi-peak fit. Med de resultaten kan
du jämföra dina energi-positioner och relativa intensiteter med
literaturvärden.
(I princip skulle Igor kunna
sköta hela datainsamlingen från PocketMCA. Någon som har lust
att programmera det?)
Vi kan mäta alfa-spektra av en brandvarnare, ett gammalt självlysande armbandsur, av uran, thorium, radioaktiva mineraler, radondöttrar (samla dem på en statiskt laddad ballong), osv. Försök identifiera de alfa-emitterande nukliderna med hjälp av sönderfallsserierna för uran och för thorium.
Det största problemet med Rutherfordspridningen här är att få tillräckligt god statistik. Alfapartiklarna hämtar vi från samma nukleid som innan, d v s Am-241 vars energi vi ju känner. Vi måste dock använda ett starkare preparat på 370 kBq för att få ett tillräckligt stort flöde. Vi skall endast studera spridning i ett par olika vinklar. Geometrin i detta experiment är lite annorlunda än den vanliga. Ett folie sitter monterat i en smal cirkulär remsa. Genom att variera avståndet mellan källa, folie och detektor kan olika spridningsvinklar fås. Genom att låta avståndet från källa till folie vara det samma som avståndet från folie till detektor får man (kan man visa) det största flödet.
Vi använder en ring med ett 2 µm tunnt guldfolie. (Det finns även en hållare med ett 8 µm Al-folie.) Med hjälp av en magnet kan man den ställa mellan källa och detektor (Chadwick-geometri). Det finns en guld- och en aluminiumfolie. Källan är ett slutet preparat med 370 kBq Am-241.
Montera det starka Am-preparatet, 370 kBq. Ställ in foliet i kammaren och stäng igen. Foliet är extremt tunt och därmed känsligt...
Justera folie och preparat i förhållande till detektorn så som önskas. För att erhålla högsta möjliga statistik skall vi endast använda oss av uppställningar där avståndet mellan detektor och folie respektive folie och preparat är det samma. Foliehållaren kan man förflytta utifrån med hjälp av en magnet. Välj en spridningsvinkel mellan 20° och 90°. Vid denna mätning är vi endast intresserade av antalet alfa och inte deras exakta energi. Därför nöjer vi oss med att driva detektorn på 12 V istället för 100 V.
Pumpa ur kammaren som innan. Starta en datainsamling. Välj en insamlingstid så att åtminstone 100 pulser erhålls. Vi är nu bara intresserade av antal registrerade α per tidsenhet, inte av deras energi.
Upprepa mätningen för någon annan spridningsvinkel. Kontrollera trycket!
Beräkna med hjälp av mätvärdena den differentiella träffytan för de vinklar som har uppmätts. Pricka in dessa i ett diagram som också visar den teoretiskt beräknade kurvan. Samla eventuellt in mätningar över i andra vinklar från andra labgrupper.
Det sprids även α-partiklar 180° tillbaka. Det var det som var som förvånade Rutherford så mycket. Han beskrev experimentet med guldfolien som att man skjuter granater mot ett papper - och ibland studsar det en tillbaka! Det var beviset för att det fanns små tunga kärnor i guldfolien.
Man kan använda det för att studera ytor av tjocka prov. Rekyl-energin ger information om vilket grundämne α-partikeln studsade tillabaka ifrån: ju mer α-partikeln förlorar i krocken, ju lättare var den okända kärnan.
Nu är träffytorna små. Jag har försökt med att skruva 370 kBq preparatet på samma flans som detektorn. Efter ha kört en natt på guldfoliet, såg jag några få counts i den elastiska peaken. För att göra RBS på riktigt, har man helium och en liten accellerator för att få en MeV α-stråle.