II. "Canon à particules" en plomb et Compteur Geiger
Matériel et Méthodologie
Un “canon à particules” a été fabriqué pour concentrer les particules émises par la source radioactive en un faisceau rectiligne. Des pièces rectangulaires de plomb de dimensions 12,5 x 2cm et d’épaisseur 1,5mm ont été liées ensemble pour créer un tube rectangulaire ouvert de dimensions 2 x 4 x 12,5cm, ayant pour but d'enfermer la source radioactive. La source utilisée était un disque de radiation isotope 2,54cm de diamètre (Sr90S avec émissions béta). Un compteur Geiger numérique a été utilisé pour mesurer le niveau de radioactivité en désintégrations par minute (CPM) au niveau d’emplacements spécifiques relatifs à l’emplacement du canon à particules. Une valeur plus élevée de CPM indique la trajectoire préférée des particules. En raison de la nature aléatoire de la désintégration de particules, il était nécessaire de mesurer le nombre de désintégrations dans des intervalles plus longs que seulement une minute pour obtenir des résultats plus précis.
A) Expérience “Distance Linéaire”
Des mesures initiales de références ont été mesurées pour déterminer le niveau de radioactivité dans des endroits précis. Le compteur Geiger a été placé pour prendre des mesures sur une droite alignée avec le faisceau créé par le canon à particules: 0 a été mis sur l’emplacement de la source radioactive dans le canon à particules et des mesures ont été prises à des intervalles de 5cm depuis l’ouverture du canon à particules de 12,5cm à 32,5cm pour mesurer le niveau d’activité des particules en termes de “distance linéaire”. Ces mesures ont été comparées à la diminution théorique attendue en terme du niveau de radioactivité en fonction de la distance linéaire de la source radioactive:
A) Expérience “Distance Linéaire”
Des mesures initiales de références ont été mesurées pour déterminer le niveau de radioactivité dans des endroits précis. Le compteur Geiger a été placé pour prendre des mesures sur une droite alignée avec le faisceau créé par le canon à particules: 0 a été mis sur l’emplacement de la source radioactive dans le canon à particules et des mesures ont été prises à des intervalles de 5cm depuis l’ouverture du canon à particules de 12,5cm à 32,5cm pour mesurer le niveau d’activité des particules en termes de “distance linéaire”. Ces mesures ont été comparées à la diminution théorique attendue en terme du niveau de radioactivité en fonction de la distance linéaire de la source radioactive:
Figure 1: Schéma de l’expérience “distance linéaire”
NB. Le rectangle noir représente le canon à particules. Le rectangle orange représente le compteur Geiger.
B) Expérience “Distance Latérale”
Pour l’expérience témoin, des mesures ont été prises sur une ligne droite perpendiculaire au faisceau créé par le canon à particules: 0 a été placé sur la graduation 32,5cm établie dans l’expérience “Distance Linéaire” et les mesures du compteur Geiger ont été prises à des intervalles de 5cm de -10cm à 10cm pour mesurer le niveau d’activité des particules en termes de “distance latérale”. Ces mesures comparent le niveau d’activité directement en face du canon à particules avec le niveau d’activité sur chaque côté.
Figure 2: Schéma de l’expérience “distance latérale”
B) Expérience “Distance Latérale”
Pour l’expérience témoin, des mesures ont été prises sur une ligne droite perpendiculaire au faisceau créé par le canon à particules: 0 a été placé sur la graduation 32,5cm établie dans l’expérience “Distance Linéaire” et les mesures du compteur Geiger ont été prises à des intervalles de 5cm de -10cm à 10cm pour mesurer le niveau d’activité des particules en termes de “distance latérale”. Ces mesures comparent le niveau d’activité directement en face du canon à particules avec le niveau d’activité sur chaque côté.
Figure 2: Schéma de l’expérience “distance latérale”
NB. Le rectangle noir représente le canon à particules. Le rectangle orange représente le compteur Geiger.
Dans l’expérience “variable”, deux aimants de charges opposées ont été utilisés pour créer un champ magnétique de 7.988 mTesla à l’ouverture du canon à particules. Un troisième groupe de mesures a été pris en répliquant les mesures de “distance latérale” complétées dans le deuxième groupe de mesures pour examiner si le niveau de radioactivité indiquait que le champ magnétique avait un effet sur la trajectoire des particules.
Dans l’expérience “variable”, deux aimants de charges opposées ont été utilisés pour créer un champ magnétique de 7.988 mTesla à l’ouverture du canon à particules. Un troisième groupe de mesures a été pris en répliquant les mesures de “distance latérale” complétées dans le deuxième groupe de mesures pour examiner si le niveau de radioactivité indiquait que le champ magnétique avait un effet sur la trajectoire des particules.
Résultats
A) Résultats de l'expérience "Distance Linéaire":
L'expérience "distance linéaire" initiale a établi que le canon à particules générait un faisceau de particules radioactives qui s'est comporté quasiment de la même façon que celle qui était attendue théoriquement.
D'après la "Radioactivité" de Scalise (SMU Physics), l'intensité d'une source radioactive est inversement proportionnelle au carré de la distance d de la source. Dans l'expérience, une relation similaire à N = 10459 d ^-1,509 a été trouvée.
Figure 4: Le niveau de radioactivité en fonction de la distance à la source.
L'expérience "distance linéaire" initiale a établi que le canon à particules générait un faisceau de particules radioactives qui s'est comporté quasiment de la même façon que celle qui était attendue théoriquement.
D'après la "Radioactivité" de Scalise (SMU Physics), l'intensité d'une source radioactive est inversement proportionnelle au carré de la distance d de la source. Dans l'expérience, une relation similaire à N = 10459 d ^-1,509 a été trouvée.
Figure 4: Le niveau de radioactivité en fonction de la distance à la source.
Note: Sur l'axe y, N représente le nombre de coups toutes les 15 minutes enregistrés par le Compteur Geiger.
Il est donc possible de déduire que le canon à particule génère un faisceau de particules, qui est conforme avec la trajectoire théoriquement attendue et les niveaux d'activités.
B) Résultats de l'expérience "Distance Latérale":
La Figure 5 montre le niveau de radioactivité en fonction de la distance latérale à la source.
La ligne bleu foncée (N1) est la ligne de tendance pour les lectures dans l'expérience témoin.
La ligne orange claire (N2) est la ligne de tendance pour les lectures dans l'expérience variable.
La différence entre les deux lignes de tendance indique l'effet que le champ magnétique a eu sur la trajectoire préférée des particules radioactives.
Le pic de radioactivité à -5cm dans les lectures de l'expérience variable a montré que les particules radioactives étaient bien plus susceptibles d'être déviées de leur trajectoire naturelle dans l'expérience témoin quand un aimant était introduit.
Les deux séries de mesures dans l'expérience "Distance Latérale" ont indiqué que le champ magnétique a causé une déviation de la trajectoire des particules radioactives. L'expérience variable avait une pente beaucoup plus raide comparée à l'expérience témoin: -20.82 < -9.16. Cela correspondait à une différence de 127% des pentes des lignes de tendance dans les expériences variable et témoin.
Figure 5: Niveau de Radioactivité en fonction de la distance latérale à la source.
Il est donc possible de déduire que le canon à particule génère un faisceau de particules, qui est conforme avec la trajectoire théoriquement attendue et les niveaux d'activités.
B) Résultats de l'expérience "Distance Latérale":
La Figure 5 montre le niveau de radioactivité en fonction de la distance latérale à la source.
La ligne bleu foncée (N1) est la ligne de tendance pour les lectures dans l'expérience témoin.
La ligne orange claire (N2) est la ligne de tendance pour les lectures dans l'expérience variable.
La différence entre les deux lignes de tendance indique l'effet que le champ magnétique a eu sur la trajectoire préférée des particules radioactives.
Le pic de radioactivité à -5cm dans les lectures de l'expérience variable a montré que les particules radioactives étaient bien plus susceptibles d'être déviées de leur trajectoire naturelle dans l'expérience témoin quand un aimant était introduit.
Les deux séries de mesures dans l'expérience "Distance Latérale" ont indiqué que le champ magnétique a causé une déviation de la trajectoire des particules radioactives. L'expérience variable avait une pente beaucoup plus raide comparée à l'expérience témoin: -20.82 < -9.16. Cela correspondait à une différence de 127% des pentes des lignes de tendance dans les expériences variable et témoin.
Figure 5: Niveau de Radioactivité en fonction de la distance latérale à la source.
Note: Sur l'axe y, N représente le nombre de coups par heure enregistrés par le Compteur Geiger. N1 est l'expérience témoin et N2 est l'expérience variable (avec un champ magnétique).
L'analyse de ligne de tendance utilisant les moyennes mobiles a été utilisée car la nature aléatoire de la désintégration radioactive a rendu l'obtention de résultats clairs utilisant des données brutes bien plus difficile. La collection des mesures a pris jusqu'à cinq heures pour chaque expérience et est déjà la "moyenne" de plusieurs trajectoires de particules différentes. L'hypothèse initiale était que dans l'expérience témoin, le nombre de coups par heure devait attendre son pic quand le compteur Geiger était placé directement en face du canon à particule. Mais en fait, le nombre de coups a atteint son pic lorsque le compteur Geiger était placé à une distance latérale de 5cm. Bien que les résultats des données brutes n'ont pas confirmé l'hypothèse, des analyses de lignes de tendances plus sophistiquées ont indiqué des résultats solides.
L'analyse de ligne de tendance utilisant les moyennes mobiles a été utilisée car la nature aléatoire de la désintégration radioactive a rendu l'obtention de résultats clairs utilisant des données brutes bien plus difficile. La collection des mesures a pris jusqu'à cinq heures pour chaque expérience et est déjà la "moyenne" de plusieurs trajectoires de particules différentes. L'hypothèse initiale était que dans l'expérience témoin, le nombre de coups par heure devait attendre son pic quand le compteur Geiger était placé directement en face du canon à particule. Mais en fait, le nombre de coups a atteint son pic lorsque le compteur Geiger était placé à une distance latérale de 5cm. Bien que les résultats des données brutes n'ont pas confirmé l'hypothèse, des analyses de lignes de tendances plus sophistiquées ont indiqué des résultats solides.
Bilan
Pour résumer les résultats des expériences utilisant le canon à particules et le compteur Geiger:
A) Le niveau de radioactivité mesuré par le compteur Geiger dans l'expérience "Distance Linéaire" a été conforme avec les normes théoriques.
ET PLUS IMPORTANT ENCORE:
B) Le niveau de radioactivité mesuré par le compteur Geiger dans les expériences "Distance Latérale" témoin et variable a clairement démontré qu'un champ magnétique affecte la trajectoire des particules radioactives, ce qui était comment nous avions défini notre problématique de projet.
Donc avons-nous répondu à la problématique de notre projet:
Quels sont les effets d'un champ magnétique sur la trajectoire de particules radioactives chargées?
Oui et Non.
Bien que les résultats des expériences "Distance Latérale" ont clairement démontré l'effet d'un champ magnétique sur la trajectoire préférée de particules radioactives, il a été moins utile en visualisant quelles étaient les trajectoires préférées des particules radioactives.
Cela a été la raison pour laquelle nous avons décidé d'approcher la résolution de notre problème d'une troisième manière: construire un modèle informatique pour simuler comment un champ magnétique affecte la trajectoire de particules radioactives.
A) Le niveau de radioactivité mesuré par le compteur Geiger dans l'expérience "Distance Linéaire" a été conforme avec les normes théoriques.
ET PLUS IMPORTANT ENCORE:
B) Le niveau de radioactivité mesuré par le compteur Geiger dans les expériences "Distance Latérale" témoin et variable a clairement démontré qu'un champ magnétique affecte la trajectoire des particules radioactives, ce qui était comment nous avions défini notre problématique de projet.
Donc avons-nous répondu à la problématique de notre projet:
Quels sont les effets d'un champ magnétique sur la trajectoire de particules radioactives chargées?
Oui et Non.
Bien que les résultats des expériences "Distance Latérale" ont clairement démontré l'effet d'un champ magnétique sur la trajectoire préférée de particules radioactives, il a été moins utile en visualisant quelles étaient les trajectoires préférées des particules radioactives.
Cela a été la raison pour laquelle nous avons décidé d'approcher la résolution de notre problème d'une troisième manière: construire un modèle informatique pour simuler comment un champ magnétique affecte la trajectoire de particules radioactives.