Nyt til fysik A - Frederiksen
Nyt til fysik A - Frederiksen
Nyt til fysik A - Frederiksen
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Partikel<strong>fysik</strong><br />
Det nye emne i pensummet for <strong>fysik</strong> A rummer flere<br />
eksperimentelle aspekter, som rent faktisk kan håndteres<br />
i gymnasiet.<br />
Kosmisk stråling i form af myoner kan studeres med store<br />
GM-rør og en koincidens-boks – blot man afsætter god tid<br />
<strong>til</strong> måleserierne.<br />
Positronannihilation er et eksempel på partikelomdannelse,<br />
som også har en tangent <strong>til</strong> relativistisk<br />
mekanik. Udstyret er omtrent det samme som for<br />
myonobservationer – dog gerne med mindre GM-rør.<br />
Gammaspektroskopi<br />
Masser af nye eksperimenter bliver mulige, når man er i<br />
stand <strong>til</strong> at måle gammakvanters energi frem for blot at<br />
tælle dem. Uheldigvis ligger udstyr <strong>til</strong> gammaspektroskopi<br />
traditionelt i den kostbare ende for et gymnasium.<br />
Udstyret, som præsenteres på de næste par sider<br />
reducerer omkostningerne <strong>til</strong> noget, der er mere<br />
håndterligt. Vi har lagt vægt på at udvikle et undervisningssystem<br />
<strong>til</strong> gammaspektroskopi. Vi udelader dermed nogle<br />
af de avancerede faciliteter, som kræves af<br />
forskningsudstyr <strong>til</strong> fordel for overskuelighed og lav pris.<br />
Relativistisk mekanik<br />
Comptonspredning kræver en relativistisk behandling, når<br />
man er ude over det rent fænomenologiske. Med vores<br />
gammaspektrometer og sættet <strong>til</strong> Comptonspredning,<br />
bliver en eksperimentel behandling mulig.<br />
<strong>Nyt</strong> <strong>til</strong> <strong>fysik</strong> A<br />
· nyt pensum nyt udstyr · nye muligheder<br />
®
Gammaspektrometri<br />
Systemets opbygning<br />
Et gammaspektrometer består af to hardware-dele:<br />
En energifølsom detektor og udstyr <strong>til</strong> behandling af signalet fra detektoren.<br />
Måledata opsamles normalt af en computer.<br />
En meget udbredt detektortype er scin<strong>til</strong>lationsdetektoren:<br />
Et indkommende gammakvant afleverer sin energi i en såkaldt scin<strong>til</strong>lationskrystal, som derved udsender et<br />
mikroskopisk lysglimt. Lyset registreres af en følsom fotocelle (en photomultiplier), som omsætter signalet <strong>til</strong> en<br />
elektrisk impuls. Det elektriske signal fra detektoren er proportional med den energi, der afsættes i krystallen.<br />
En multikanalanalysator (MCA – MultiChannel Analyzer) sorterer de indkommende impulser fra den energifølsomme<br />
detektor i et stort antal kanaler efter deres størrelse. Når tælletallene i kanalerne plottes som funktion af<br />
kanalnummeret, bliver resultatet et energispektrum.<br />
I en sådan ops<strong>til</strong>ling er den software, som indsamler og præsenterer data, lige så vigtig som hardwaren. Vi har<br />
valgt at inkludere softwaren i prisen for MCA’en – som derved bliver endnu mere attraktiv.<br />
Scin<strong>til</strong>lationsdetektoren<br />
Denne detektor er den ideelle makker for vores nye multikanalanalysator.<br />
Detektorens størrelse, lave forsyningsspænding – og pris! –<br />
skyldes anvendelsen af faststofteknologi. Endnu en fordel ved<br />
photomultipliere af silicium er, at de er aldeles ufølsomme<br />
overfor eksterne magnetfelter.<br />
Den anvendte scin<strong>til</strong>lationskrystal af cæsiumiodid måler<br />
6 x 6 x 15 mm, hvilket giver en udmærket vinkelopløsning i<br />
f.eks. eksperimenter med Comptonspredning.<br />
Denne krystalstørrelse vil naturligvis være mindre følsom end<br />
de kæmpestore NaI-krystaller, som normalt bruges sammen<br />
med photomultiplier-rør, men sammen med en almindelig gammakilde fra<br />
Risø, opnås alligevel en total tællehastighed over 2000 pr. sekund.<br />
Energiopløsningen (halvværdibredde) er ca. 7 % ved 662 keV (Cs-137)<br />
hhv. 5 % ved 1.333 keV (Co-60).<br />
Detektorens forsyningsspændinger leveres af MCA’en.<br />
Biasspænding styres gennem softwaren, så forstærkningen<br />
holdes uafhængig af temperaturændringer.<br />
5185.00 Scin<strong>til</strong>lationsdetektor ............... kr. 4.750,00<br />
®<br />
2<br />
Forventet levering november 2012.<br />
5185.00
Multikanalanalysator<br />
<strong>Frederiksen</strong>s MCA <strong>til</strong>byder 1024 kanaler, variabel analog og digital forstærkning, variabel integrationstid og<br />
indbygget logik <strong>til</strong> forhindring af ”pile up” (dvs. en impuls starter oven i den foregående).<br />
Denne hardwarebaserede MCA kan håndtere tællehastigheder over 10 MHz, så du vil aldrig opleve MCA’en som<br />
en flaskehals!<br />
<strong>Frederiksen</strong>s MCA og den <strong>til</strong>hørende software er specielt udviklet sammen med 5185.00 scin<strong>til</strong>lations-<br />
detektoren, som beskrives overfor, men en ”AUX” indgang kan anvendes sammen med anodesignalet fra et<br />
traditionel photomultiplier-rør. Derved vil man ofte være i stand <strong>til</strong> at genanvende scin<strong>til</strong>lationsdetektoren fra et<br />
ældre system med en forældet MCA eller software.<br />
MCA’en bruger ikke en ekstern strømforsyning, men forsynes via USB-forbindelsen.<br />
Nyudviklet, brugervenlig, dansk software<br />
Når MCA’en er <strong>til</strong>sluttet computeren, og programmet kører, kan dataopsamlingen startes med<br />
et tryk på en knap: Alle inds<strong>til</strong>linger huskes fra sidste kørsel, men kan naturligvis let justeres <strong>til</strong> andre opgaver.<br />
Standardinds<strong>til</strong>linger for hhv. Cs I(Tl) og Na I(Tl) scin<strong>til</strong>lationsdetektorer kan genfindes med tryk på en knap.<br />
Programmets start<strong>til</strong>stand kaldes et frit eksperiment og giver adgang <strong>til</strong> at starte, stoppe og ændre<br />
hardwareparametre uden begrænsning. Derudover kan to mere strukturerede <strong>til</strong>stande vælges:<br />
Et spektrum-eksperiment betegner en kørsel med et veldefineret sluttidspunkt, hvor alle parametre er låste,<br />
og hvor der evt. gemmes et backup-spektrum med faste mellemrum.<br />
I et henfaldseksperiment gemmes kumulerede spektre med faste mellemrum. Programmet kan vise såvel<br />
kumulerede som differentielle data. I spektret kan der markeres et eller flere energiintervaller, hvis tælletal kan<br />
summeres, eller data kan <strong>til</strong>passe en gauss-funktion.<br />
5180.00 Multikanalanalysator ...........................................................kr. 19.750,00<br />
3<br />
5180.00<br />
®
Gammaspektre<br />
Spektret fra en scin<strong>til</strong>ationsdetektor viser ikke kun energien af gammakvanterne, som de udsendes fra kilden.<br />
Detaljer i spektret vidner om stødprocesser mellem gammakvanter og elektroner.<br />
Hvis den fulde gamma-energi afsættes i scin<strong>til</strong>lationskrystallen, giver det en tælling i fototoppen. At toppen har<br />
en vis bredde, skyldes at omsætningen af gamma-energien <strong>til</strong> et vist antal synlige fotoner og efterfølgende<br />
elektronisk registrering af disse er af stokastisk natur.<br />
Ofte støder gammakvantet sammen med en løst bundet elektron i detektoren så en del af energien overføres<br />
<strong>til</strong> denne. Sådanne Comptonspredte gammakvanter har en stor sandsynlighed for at fortsætte ud af detektoren<br />
igen, så deres andel af energien ser vi ikke mere <strong>til</strong>. Derimod registreres energien af den rekylerende elektron<br />
med stor sandsynlighed. Grundet impulsbevarelse er der en øvre grænse for hvor meget af energien, der kan<br />
overføres <strong>til</strong> elektronen. Denne øvre grænse kaldes for Compton-kanten.<br />
Den omvendte situation er også mulig: Et gammakvant kan først støde sammen med en elektron udenfor<br />
detektoren og derefter blive registreret med den energi, den har <strong>til</strong>bage. Energien af de spredte gammakvanter<br />
har jf. foregående afsnit en nedre grænse, kaldet backscatter-kanten.<br />
Beregninger på disse stødprocesser er en glimrende chance for at anvende speciel relativitetsteori.<br />
I spektret vil man også ofte kunne observere røntgenstråling fra datterkernen. Hvis man bestråler en blyplade<br />
med en Cs-137 kilde vil man desuden kunne påvise røntgenfluorescens fra bly.<br />
Ditto med røntgenfluorescens<br />
fra en blyplade<br />
Ud over gammastråling fra kernen kan man også<br />
ofte identificere en top ved 511 keV, svarende <strong>til</strong><br />
hvilemassen af en elektron. Denne stammer fra<br />
anihillation af positroner og elektroner.<br />
Toppen ses naturligvis i særdeleshed, når man<br />
måler direkte på en positron-emitter som Na-22,<br />
men også i <strong>til</strong>fælde af meget energirige gamma-<br />
kvanter vil man se spor af pardannelse og<br />
efterfølgene annihilation.<br />
®<br />
Karakteristiske detaljer i spektret fra Cs-137<br />
4<br />
Na-22 spektrum
Comptonspredning<br />
Comptoneffekten illustrerer partikelnaturen af gammastråling. Når et<br />
gammakvant preller af på en elektron, afhænger dets energitab af<br />
spredningsvinklen.<br />
Princippet bag dette apparatur er den gamle geometriske sandhed, at<br />
størrelsen af en periferivinkel er defineret af den bue, den spænder over.<br />
Vi kan derved opnå, at spredningsvinklen er den samme over en meget<br />
stor rumvinkel.<br />
5<br />
5190.00<br />
Sættet omfatter to sæt skalformede targets samt en central holder med<br />
justeringsskruer og bly-absorber.<br />
5190.00 Comptonspredning, sæt. ........................ kr. 1.880,00<br />
Ud over sættet <strong>til</strong> Comptonspredning, gammaspektrometeret samt en<br />
gammakilde, benyttes følgende:<br />
5141.02 Skinne <strong>til</strong> ops<strong>til</strong>lingsbænk, 40 cm ........................ kr. 365,00<br />
2946.10 Rytter med et Ø10 mm hul (2 stk.) pr. stk. ................ kr. 144,00<br />
5141.80 Kildeholder <strong>til</strong> ops<strong>til</strong>lingsbænk, simpel. ................... kr. 325,00<br />
Disse rotationssymmetriske<br />
aluminiumtargets giver en høj<br />
tællehastighed for to faste<br />
spredningsvinkler på<br />
ca. 60° og 90°. Med vores<br />
gammaspektrometer og en<br />
standard Cs-137 kilde kan<br />
brugbare differensspektre<br />
opnås for begge vinkler<br />
indenfor en time.<br />
En bly-absorber blokerer for<br />
den direkte stråling fra kilde <strong>til</strong><br />
detektor.<br />
Korrektion for baggrundsstråling<br />
(herunder spredt stråling<br />
fra bordpladen mv.) håndteres af<br />
5180.00 softwaren.<br />
®
Kilder<br />
Natrium-22<br />
Positron- og gammakilde fra Risø. Godkendt <strong>til</strong><br />
undervisningsbrug.<br />
Natrium-22 henfalder ved β + -henfald – kilden<br />
udsender positroner. Desuden udsender Na-22<br />
kilden gammastråling med en energi på 511 keV<br />
og 1275 keV.<br />
Denne lukkede kilde er specielt konstrueret, så<br />
positronerne kan slippe igennem indkapslingen.<br />
I mange andre Na-22 kilder standses positronerne<br />
i selve kilden, som dermed kun er egnet som<br />
gammakilde.<br />
Når positronerne er frie af kilden, er det muligt i<br />
et afbøjningsforsøg at påvise f.eks. partiklernes<br />
positive ladning.<br />
Ud over positroner udsender kilden som nævnt<br />
også gammastråling.<br />
Dels den prompte 1275 keV gammastråling fra<br />
selve kernen, dels 511 keV annihilationskvanterne<br />
fra processen e + + e -➝ 2γ .<br />
Annihilationen sker først efter nedbremsning af<br />
positronen, og kvanterne udsendes derfor<br />
(grundet impulsbevarelse) i diametralt modsatte retninger. Dette er princippet bag PET-scanneren.<br />
5100.37 Na-22 kilde (positroner). ............................................kr. 2.780,00<br />
Cobolt-60<br />
Gammakilde fra Risø. Godkendt<br />
<strong>til</strong> undervisningsbrug.<br />
Cobolt-60 henfalder ved<br />
β--henfald, men kilden er<br />
konstrueret, så stort set al<br />
betastrålingen absorberes<br />
internt. Datternuklidet nikkel-60<br />
dannes overvejende i en<br />
exciteret <strong>til</strong>stand, som henfalder<br />
i to trin under udsendelse af<br />
gammastråling med energierne<br />
1173 keV og 1332 keV.<br />
Denne lukkede kilde kan f.eks.<br />
anvendes <strong>til</strong> demonstration af en<br />
prompt gammakaskade.<br />
Halveringstiderne for de to<br />
gammahenfald ligger begge<br />
under et picosekund (10-12 s),<br />
så de kan betragtes som<br />
udsendt samtidigt.<br />
Med en koincidensboks kan<br />
man derfor påvise en<br />
tællehastighed for koincidenser,<br />
som ligger klart over niveauet for <strong>til</strong>fældige koincidenser.<br />
I modsætning <strong>til</strong> annihilationskvanterne fra Na-22, hvor der er en meget stærk vinkelkorrelation mellem de to<br />
udsendte kvanter, er de to gammakvanter fra et Co-60 henfald kun svagt korrelerede. Der er en forskel på ca.<br />
17 % mellem sandsynlighederne for udsendelse i hhv. 90° og 180° vinkel.<br />
Co-60 er desuden velegnet i forbindelse med et gammaspektrometer som eksempel på et spektrum, der er lidt<br />
mere kompliceret end for Cs-137, uden at det bliver for komplekst.<br />
5100.35 Co-60 kilde (gamma) .............................................. kr. 2.364,00<br />
®<br />
6
De velkendte Risø-kilder<br />
Godkendte kilder <strong>til</strong> undervisningsbrug.<br />
Du kan finde en grundig beskrivelse af disse kilder på<br />
www.frederiksen.eu – her blot et par stikord:<br />
Alfakilden udsender ikke blot ca. 5,5 MeV alfastråling,<br />
men også gammastråling, hyppigst med en energi<br />
på 59,5 keV.<br />
Betakilden udsender betastråling fra Sr-90 (546 keV)<br />
og Y-90 (2,3 MeV). Partiklerne med de allerlaveste<br />
energier absorberes i forseglingen. Kilden er utroligt<br />
”ren”: Kun i 0,017 % af henfaldene udsendes en<br />
1,7 MeV gamma.<br />
Gammakilden er baseret på betahenfald af Cs-137.<br />
Dog absorberes næsten al betastråling i kilden.<br />
Gammakvanterne har energien 661,7 keV<br />
5100.00 Alfa-, beta- og gammakilde inkl.<br />
opbevaringsholder. ............. kr. 5.400,00<br />
5100.10 Alfakilde (Am-241) ......kr. 2.350,00<br />
5100.20 Betakilde (Sr/Y-90) ......kr. 2.350,00<br />
5100.30 Gammakilde (Cs-137) ....kr. 2.350,00 5100.40 Opbevaringsholder ......kr. 175,00<br />
Radioaktive sten<br />
Mineralprøver fra Norge med følgende seks<br />
mineraler:<br />
• Uraninit (UO , U O )<br />
2 3 8<br />
• Thorit (ThSiO ) 4<br />
• Euxenit (Y,Ca,Er,La,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti) O 2 6<br />
• Orthit (Allanit) (Ce,Ca,Y) (Al,Fe 2 2+ ,Fe3+ ) 3(SiO ) 4<br />
(Si O )O(OH)<br />
2 7<br />
• Pyrochlor (Ca,Na) Nb O (OH,F)<br />
2 2 6<br />
• Raudberg (FeCO , Fe O )<br />
3 2 3<br />
– ganske svagt radioaktivt<br />
Da der er tale om naturligt forekommende<br />
radioaktive mineraler, vil dette produkt være<br />
uensartet. Størrelsen varierer (fra tommelfingerstor<br />
ned <strong>til</strong> en kvart sukkerknald, for at give et indtryk). Prøverne leveres med beskrivelse på norsk.<br />
Figuren viser et gammaspektrum for Euxenit med tydelige toppe fra Pb-214, Bi-214 og Ra-226.<br />
6702.55 Radioaktive sten. ......................................... kr. 495,00<br />
5112.00<br />
7<br />
5100.00<br />
5100.35<br />
Isotopgenerator<br />
Godkendt isotopgenerator <strong>til</strong> undervisningsbrug.<br />
Muliggør eksperimentel bestemmelse af<br />
halveringstiden for Ba-137m.<br />
5112.00 Isotopgenerator inkl.<br />
ekstraktionsvæske. .......kr. 3.605,00<br />
5112.05 Ekstraktionsvæske<br />
<strong>til</strong> 5112.00 ...............kr. 1.025,00<br />
®
Myon-observatorium<br />
Kraftig konstruktion med plads <strong>til</strong> maksimalt 40 stålabsorbere (20,5 kg!). Der medfølger 25 absorbere i form af 3<br />
mm blåchromaterede stålplader.<br />
I shower mode kan man variere afstanden fra den nederste absorber <strong>til</strong> GM-rørene mellem 0 og 180 mm.<br />
I teleskop mode kan afstanden mellem de to yderste GM-rør variere fra 240 <strong>til</strong> 560 mm.<br />
(GM-rør og koincidensboks anskaffes separat.)<br />
5142.00 Myon-observatorium ...............................................kr. 3.183,00<br />
5142.10 Ekstra absorbere (5 stk.) ............................................. kr. 215,00<br />
5138.00<br />
Koincidensboks<br />
Benyttes <strong>til</strong> påvisning af samtidige begivenheder i<br />
GM-rør. Udgangen af boksen sender en impuls <strong>til</strong> en<br />
ekstern tæller, når to (eller valgfrit tre) af indgangene<br />
<strong>til</strong>føres en impuls samtidigt. Herved kan man f.eks.<br />
påvise gammakaskaden i henfaldet af Co-60, eller at<br />
annihilationskvanter udsendes i en vinkel på 180°.<br />
Koincidensboksen bruges også i studiet af kosmisk<br />
stråling med 5142.00 Myon-observatorium.<br />
Tilsluttes to eller tre ens GM-rør. Udgangsimpulserne<br />
registreres af en tæller f.eks. 5136.00, 2002.50 eller<br />
Pasco digitaladapter PS-2159.<br />
5138.00 Koincidensboks ........kr. 1.575,00<br />
Geigertæller<br />
Universaltæller <strong>til</strong> alle vore GM-rør samt koincidensboksen.<br />
Nem og logisk betjening.<br />
5136.00 GM tæller ..............kr. 2.421,00<br />
Ops<strong>til</strong>lingsbænk<br />
5136.00<br />
Ops<strong>til</strong>lingsbænk <strong>til</strong> Risøkilder og GM-rør, som giver<br />
en stabil ops<strong>til</strong>ling. Består af en 40 cm lang bænk<br />
med mm-inddelt skala, holder <strong>til</strong> GM-rør og holder<br />
for Risøkilder, med en metalstang <strong>til</strong> ophængning af<br />
afskærmningsplader, der kan monteres i kildeholder.<br />
Inkl. absorbersæt.<br />
5141.00 Ops<strong>til</strong>lingsbænk ....... kr. 1.295,00<br />
5141.02 Løs skinne, 40 cm ........kr. 365,00<br />
Alle priser er ekskl. moms og forsendelse.<br />
Der tages forbehold for trykfejl og udsolgte varer.<br />
A/S Søren <strong>Frederiksen</strong>, Ølgod Tel. 7524 4966 info@frederiksen.eu<br />
Viaduktvej 35 · 6870 Ølgod Fax 7524 6282 www.frederiksen.eu<br />
5142.00<br />
Drejeled <strong>til</strong> optisk bænk<br />
Til undersøgelse af vinkelafhængigheden af koincidenstælletal<br />
anvendes dette drejeled sammen med<br />
kildeholder 5141.95.<br />
2946.50 Drejeled <strong>til</strong> optisk bænk ..kr. 525,00<br />
Kildeholder <strong>til</strong> drejeled<br />
Med denne kildeholder kan en Risøkilde placeres<br />
præcist i omdrejningsaksen af drejeleddet. Holderen<br />
er drejet ud af plast, hvilket sikrer en rotationssymmetrisk<br />
opbygning.<br />
5141.95 Kildeholder <strong>til</strong> drejeled ....kr. 95,00<br />
2946.10<br />
5135.70<br />
5141.02<br />
5141.00<br />
2946.50<br />
5141.95<br />
Afd. Aarhus: Silkeborgvej 765 J<br />
DK-8220 Brabrand<br />
®
Change language