Guía Parte II Técnicas Experimentales IV-2015

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIN A DISTANCIA

2014-2015

CarlosAntoranzCallejo,ManuelAriasZugasti,PedroGarcaYbarra,ManuelPancorboCastroyAmaliaWilliartTorres

GRADOENFSICA

GRADOGUADEESTUDIODETCNICASEXPERIMENTALESIV2PARTE|PLANDETRABAJOYORIENTACIONESPARASUDESARROLLO

TCNICASEXPERIMENTALESIV

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIN A DISTANCIA 2

NDICE

1.- Programa de la asignatura Tcnicas experimentales IV 3

2.- Plan de trabajo 4

3.- Orientaciones para la realizacin de las prcticas de laboratorio 15

Bloque 1: PRCTICAS DE FSICA NUCLEAR 15

Bloque 2: PRCTICAS DE FSICA DEL ESTADO SLIDO 20

Bloque 3: PRCTICAS DE FSICA DE FLUIDOS 23

Bloque 4: PRCTICAS DE IMAGEN DIGITAL 23

4.- Orientaciones para la realizacin del plan de actividades 24

5.- Glosario 25

CarlosAntoranzCallejo,ManuelAriasZugasti,PedroGarcaYbarra,ManuelPancorboCastroy

AmaliaWilliartTorres


1.- PROGRAMA DE LA ASIGNATURA TCNICAS EXPERIMENTALES IV La asignatura Tcnicas experimentales IV tiene como objetivo el estudio experimental de propiedades fsi-cas observadas en los campos de la Fsica Nuclear y de Partculas, Fsica del Estado Slido y Fsica de Fluidos, y el uso de la Imagen Digital como herramienta de medida. Los laboratorios habilitados para la realizacin de estas prcticas estn ubicados en la Facultad de Ciencias de la UNED (P Senda del Rey, 9. 28040-Madrid). Los profesores que constituyen el equipo docente de la asignatura y el bloque de prcticas que cada miem-bro del equipo imparte son:

Jos Carlos Antoranz Callejo (Imagen Digital) Manuel Arias Zugasti (Fsica de Fluidos) Pedro Luis Garca Ybarra (Fsica de Fluidos) Manuel Pancorbo Castro (Fsica del Estado Slido) Amalia Williart Torres (Fsica Nuclear)

Las prcticas de laboratorio que se desarrollan este curso se relacionan a continuacin, ordenadas por blo-ques temticos. Bloque 1: PRCTICAS DE FSICA NUCLEAR

1. Caracterizacin de un contador Geiger-Mller 2. Estadstica aplicada a medidas nucleares. 3. Absorcin de partculas beta. 4. Detectores de centelleo. Absorcin de radiacin gamma. 5. Determinacin experimental del periodo de una muestra radiactiva. 6. Espectrometra de partculas alfa y beta. Absorcin de partculas alfa. 7. Espectroscopa gamma con detectores de INa(Tl). 8. Caracterizacin de un detector de Si(Li).

Bloque 2: PRCTICAS DE FSICA DEL ESTADO SLIDO

1. Difraccin de Rayos X por un cristal. 2. Anlisis de bandas de energa electrnica en cristales. 3. Determinacin de la banda de energa electrnica prohibida en un cristal semiconductor. 3. Efecto Hall en semiconductores.

Bloque 3: PRCTICAS DE FSICA DE FLUIDOS

1. Ley de Hagen-Poiseuille. 2. Fuerzas de sustentacin y arrastre. 3. Coeficiente de arrastre. 4. Relacin de dispersin de ondas de tensin superficial.



Bloque 4: PRCTICAS DE IMAGEN DIGITAL

1. Introduccin a las imgenes digitales. 2. Operaciones con imgenes digitales. 3. Filtrado de imgenes digitales. 4. Segmentacin de imgenes. 5. Medida con imgenes.

Las prcticas del Bloque 4, Imagen Digital, no son presenciales y se realizarn a travs del Curso Virtual, exceptuando un seminario presencial que tendr lugar la misma semana en la que se realizarn las prcticas presenciales. Ntese que cada alumno realizar el mismo nmero de prcticas, pero ni har todas las de la lista, ni las mismas que sus compaeros, aunque s har prcticas de cada uno de los bloques. El profesor responsable de cada bloque distribuir las prcticas a realizar por cada alumno, en funcin de las necesidades del grupo y la mejor utilizacin del laboratorio. 2.- PLAN DE TRABAJO Con el fin de conseguir el mejor aprovechamiento de la asignatura, el plan de trabajo de Tcnicas Experi-mentales IV se ha estructurado en cuatro partes:

Una primera parte sobre realizacin de medidas por medio de imgenes digitales. El trabajo prctico a realizar en esta parte es de tipo computacional, por tanto esta parte de la asignatura no es presencial. El tiempo estimado para la realizacin de las prcticas de esta parte es de 30h de actividad no presencial que se completar con un seminario presencial durante la semana de prcticas.

La segunda parte est dedicada al repaso y ampliacin de los fundamentos tericos de los fenmenos fsicos y las tcnicas experimentales directamente relacionados con las prcticas de laboratorio. Este trabajo forma parte de la preparacin del estudiante previa a la realizacin de las prcticas. El tiempo requerido por cada estudiante depende del grado de conocimiento que posea de la materia implicada. Los fundamentos tericos de cada una de las prcticas han sido, o son, objeto de estudio en las asignaturas tericas correspondientes (Fsica Nuclear, Fsica del Estado Slido y Fsica de Fluidos).

Una tercera parte experimental (40 horas de actividad presencial), que se desarrollar en los laboratorios docentes de la Facultad de Ciencias de la UNED en la Sede Central (P Senda del Rey, n 9. 28040-Madrid) y en el Centro Asociado de Las Rozas (Ctra. de las Rozas al Escorial Km 5. 28230 Las Rozas Madrid, http://www.madrid.uned.es/centros-de-zona/zona-noroeste/las-rozas/), durante la cual se realizarn una serie de prcticas distribuidas en tres bloques:

Bloque 1: FSICA NUCLEAR (Laboratorios Sede Central) Bloque 2: FSICA DEL ESTADO SLIDO (Laboratorios Sede Central) Bloque 3: FSICA DE FLUIDOS (Laboratorios CA Las Rozas)

Adems, los estudiantes tendrn un seminario dedicado al uso de la Imagen Digital como herramien-ta de medida.




En cada una de las prcticas se proporcionar al estudiante tcnicas y recursos de utilidad para la realizacin adecuada del trabajo experimental en el laboratorio. Para realizar las prcticas se harn grupos y cada grupo desarrollar todas las prcticas en una misma semana, en cinco das, de lunes a viernes en horario de maana y tarde. Durante la semana el estudiante rotar por los diversos laboratorios.

La cuarta y ltima parte est dedicada al anlisis de resultados y a la consiguiente elaboracin de las

memorias-informes correspondientes a cada prctica (hasta completar las 150 horas de trabajo, equivalentes a los 6 crditos ECTS que tiene asignados esta asignatura).

En las Tablas que se adjuntan se indican las horas que el equipo docente estima que se necesitan para realizar cada prctica adecuadamente. La distribucin es meramente orientativa, siendo cada estudiante el que realice el reparto temporal en funcin de su disponibilidad y necesidades. Las Tablas no reflejan las 150 horas que el estudiante debe dedicar a esta asignatura porque no realizar todas las prcticas propuestas en ella.



Plan de Trabajo del Bloque 1: PRCTICAS DE FSICA NUCLEAR

ACTIVIDADES

CO

NO

CIM

IEN

TOS

HA

BIL

IDA

DE

S Y

D

ES

TR

EZ

AS

HO

RA

S

Prctica 1: Caracterizacin de un contador Geiger-Mller

Introduccin terica a la prctica 1: Lectura del guin (curso virtual) Repaso del Cap. 10 del texto Fsica Nuclear y de Partculas (UNED)

X 1,25

Realizacin de la prctica 1 en el laboratorio X 1,5

Anlisis de los resultados experimentales (clculos, grficas,) y elabora-cin de la memoria X 1,25

Total prctica 1 X X 4

Prctica 2: Estadstica aplicada a medidas nucleares


X 0,75


Anlisis de los resultados experimentales (clculos, grficas,) y elabora-cin de la memoria

X 0,75

Total prctica 2 X 2




ACTIVIDADES

CO

NO

CIM

IEN

TOS

HA

BIL

IDA

DE

S Y

D

ES

TR

EZ

AS

HO

RA

S

Prctica 3: Absorcin de partculas beta

Introduccin terica a la prctica 3: Lectura del guin (curso virtual) Repaso de los Cap. 6 y 10 del texto Fsica Nuclear y de Partculas

(UNED)

X 1

Realizacin de la prctica 3 en el laboratorio X 2

Anlisis de los resultados experimentales (clculos, grficas,) y elabora-cin de la memoria X 1


Prctica 4: Detectores de centelleo. Absorcin de radiacin gamma

Introduccin terica a la prctica 4: Lectura del guin (curso virtual) Repaso de los Caps. 9 y 10 del texto Fsica Nuclear y de Partculas

(UNED)

X 1



X 1,5

Total prctica 4 X 5,5



ACTIVIDADES

CO

NO

CIM

IEN

TOS

HA

BIL

IDA

DE

S Y

D

ES

TR

EZ

AS

HO

RA

S

Prctica 5: Determinacin experimental del periodo de una muestra radiactiva


X 0,5



Total prctica 5 X X 2,25

Prctica 6: Espectrometra de partculas alfa y beta. Absorcin de partculas alfa.

Introduccin terica a la prctica 6: Lectura del guin (curso virtual) Repaso de los Caps. 5, 6 y 10 del texto Fsica Nuclear y de Partculas

(UNED)

X 1,5



X 1,75





ACTIVIDADES

CO

NO

CIM

IEN

TOS

HA

BIL

IDA

DE

S Y

D

ES

TR

EZ

AS

HO

RA

S

Prctica 7: Espectroscopia gamma con detectores de INa(Tl)


(UNED)

X 1




Prctica 8: Caracterizacin de un detector de Si(Li)


(UNED)

X 1



X 2,5

Total prctica 8 X 6



Plan de Trabajo del Bloque 2: PRCTICAS DE FSICA DEL ESTADO SLIDO

ACTIVIDADES

CO

NO

CIM

IEN

TOS

HA

BIL

IDA

DE

S Y

D

ES

TR

EZ

AS

HO

RA

S

Prctica 1: Difraccin de rayos-X por un cristal.

Introduccin terica a la prctica 1: Lectura del guin (en laboratorio) Repaso de los temas estructura cristalina y difraccin por cristales del

curso de Fsica del Estado Slido Estudio del material complementario de este curso y resolucin de ejer-

cicios

X 4,5




Prctica 2: Anlisis de bandas de energa electrnica en cristales

Introduccin terica a la prctica 2: Lectura del guin (en laboratorio) Repaso de los temas electrones en metales y teora de bandas del

curso de Fsica del Estado Slido Estudio del material complementario de este curso y resolucin de ejer-

cicios

X 4



X 1,5





ACTIVIDADES

CO

NO

CIM

IEN

TOS

HA

BIL

IDA

DE

S Y

D

ES

TR

EZ

AS

HO

RA

S

Prctica 3: Determinacin de la banda electrnica prohibida de un semiconductor

Introduccin terica a la prctica 3: Lectura del guin (en laboratorio) Repaso de los temas teora de bandas y semiconductores del curso

de Fsica del Estado Slido Estudio del material complementario de este curso y resolucin de ejer-

cicios

X 4




Prctica 4: Efecto Hall en semiconductores

Introduccin terica a la prctica 4: Lectura del guin (en laboratorio) Repaso de los temas teora de bandas, dinmica del electrn de

Bloch y semiconductores del curso de Fsica del Estado Slido Estudio del material complementario de este curso y resolucin de ejer-

cicios

X 4,5



X 1,5

Total prctica 4 X 8



Plan de Trabajo del Bloque 3: PRCTICAS DE FSICA DE FLUIDOS

ACTIVIDADES

CO

NO

CIM

IEN

TOS

HA

BIL

IDA

DE

S Y

D

ES

TR

EZ

AS

HO

RA

S

Prctica 1: Ley de Hagen-Poiseuille

Introduccin terica a la prctica 1: Lectura del guin (curso virtual) Repaso de los Cap. 1 y 2 del texto Mecnica de Fluidos (Landau y Lifs-

hitz, Revert)

X 2




Prctica 2: Fuerzas de sustentacin y arrastre

Introduccin terica a la prctica 2: Lectura del guin (curso virtual) Repaso de los Cap. 1 y 4 del texto Mecnica de Fluidos (Landau y Lifs-

hitz, Revert)

X 2



X 2

Total prctica 2 X 6




ACTIVIDADES

CO

NO

CIM

IEN

TOS

HA

BIL

IDA

DE

S Y

D

ES

TR

EZ

AS

HO

RA

S

Prctica 3: Coeficiente de arrastre

Introduccin terica a la prctica 3: Lectura del guin (curso virtual) Repasode los Cap. 1 y 4 del texto Mecnica de Fluidos (Landau y Lifs-

hitz, Revert)

X 2




Prctica 4: Relacin de dispersin de ondas de tensin superficial

Introduccin terica a la prctica 4: Lectura del guin (curso virtual) Repaso de los Caps. 1 y 7 del texto Mecnica de Fluidos (Landau y

Lifshitz, Revert)

X 2



X 2

Total prctica 4 X 6



Plan de Trabajo del Bloque 4: PRCTICAS DE IMAGEN DIGITAL Contenidos tericos

1. Transduccin analgico-digital y procesamiento de la seal dependiente del tiempo: Concepto de transduccin analgico-digital y su empleo la captura de datos. Nociones bsicas sobre la captura de dichas seales transducidas por tarjetas analgico-digitales (AD-DA) para la reconstruccin de seales temporal multicanal. Problemas de ruido e interferencia en estas seales.

2. Formacin de imgenes digitales y su procesamiento espacial: Se comenzar con la definicin de imagen digital, y sus caractersticas, y posteriormente se definirn las operaciones, filtrado en espacio real y de frecuencias, convoluciones con kernel y segmentacin de imgenes digitales.

3. Medicin por imagen digital (modelos geomtricos y cinticos, problemas inversos, etc.). Se propondrn varios problemas que cubren un amplio marco de posibilidades de medida en campos como cinemtica, medicin por color de caractersticas, etc ...).

Materiales

1. Notas y manual de uso de alguna tarjeta AD-DA para la adquisicin de seales temporales (en ingls).

2. Material bsico sobre imgenes digitales y su tratamiento, a disposicin en formato pdf en el curso virtual.

3. Software libre Fiji (ImageJ). 4. Presentaciones de cada uno de los temas de imagen digital, a disposicin en formato pdf en el curso

virtual. Problemas propuestos

1. Clculo de la gravedad mediante segmentacin de imgenes estroboscpicas superpuestas. 2. Determinacin de la velocidad de frentes de llama sobre combustibles lquidos mediante imagenes

"streakphotograph". 3. Calibracin de imgenes ecogrficas de color 2D en simuladores. 4. Determinacin de la temperatura de la superficie terrestre mediante fotografas de satlite en banda

trmica.

Debern resolverse dos de estos problemas propuestos, uno de 1-2 y otro 3-4. El tiempo estimado en ECTS de esta parte del curso ser de 1.5 ECTS (equivalente a 38 horas de

trabajo, incluyendo tiempo de estudio terico, realizacin del trabajo prctico y redaccin de la memoria).

En la semana de realizacin de las prcticas se impartir un seminario presencial sobre imagen digital.




3.- ORIENTACIONES PARA LA REALIZACIN DE LAS PRCTICAS DE LABORATORIO La mayor parte de los contenidos tericos necesarios para la realizacin de las prcticas son conocidos de otras asignaturas ya cursadas (Fsica Nuclear, Fsica del Estado Slido, Fsica de Fluidos, Fsica Compu-tacional). Para determinadas prcticas o bloques, se necesita de material terico complementario, que se pondr a disposicin del estudiante a travs del curso virtual. Tambin, en el curso virtual, se encontrar ms informacin sobre cada una de las prcticas. A continuacin se indica el dispositivo experimental y los objetivos de las prcticas de laboratorio, agrupadas por Bloques Temticos. Bloque 1: PRCTICAS DE FSICA NUCLEAR Prctica 1: Caracterizacin de un contador Geiger-Mller Se realiza con un contador Geiger-Mller para familiarizarse con su uso, ya que es uno de los detectores ms utilizados para la radiacin nuclear. El detector Geiger est alojado dentro de un blindaje de plomo para disminuir la radiacin de fondo proce-dente del exterior. El castillete de blindaje permite colocar la fuente radiactiva, cuya actividad se desee medir, a una altura adecuada. El flujo de partculas incidente penetra en el interior del Geiger a travs de una ven-tana de mica. El campo elctrico entre los electrodos se aplica mediante una fuente de tensin que puede proporcionar hasta 1000 V. El impulso dado por el Geiger se lleva a una escala de recuento. Dispositivo experimental: 1. Detector Geiger-Mller. 2. Castillete de plomo. 3. Fuente de alta tensin y escala de recuento. 4. Muestras radiactivas (Co y Sr). Objetivos de la prctica: 1. Determinacin de la curva caracterstica con la meseta o "plateau". Obtencin de la tensin umbral y la

tensin de operacin. 2. Obtencin del tiempo de resolucin, empleando el mtodo de las dos fuentes. 3. Determinacin de la eficiencia del detector (tanto como ) con muestras calibradas, Co() y Sr(). Al terminar la realizacin de la prctica el alumno debe haber comprendido la utilidad de la construccin de la curva caracterstica de un detector Geiger-Mller y si este tipo de detectores son de respuesta rpida o lenta. Tambin habr comparado los resultados de la eficiencia para emisores y , y con las correspon-dientes predicciones de la teora.



Prctica 2: Estadstica aplicada a medidas nucleares

Esta prctica se realiza con el mismo equipo que la prctica 1 (Detector Geiger-Mller, fuente de alta tensin y escala de recuento) y con la tensin de trabajo calculada anteriormente. Objetivos de la prctica: 1.Determinacin de la desviacin estadstica de una serie de medidas de actividad. 2.Comparacin de la desviacin estadstica experimental con la desviacin estadstica que proporciona la distribucin de Poisson 3.Estudio de la fiabilidad estadstica del detector Geiger-Mller. Al acabar las medidas y los clculos, el alumno habr observado la aleatoriedad de las emisiones radiactivas y comprobado la fiabilidad estadstica del detector. Prctica 3: Absorcin de partculas beta Esta prctica tambin se realiza con el mismo equipo y en la tensin de trabajo obtenida en la prctica 1. Objetivos de la prctica: 1. Determinacin de la curva que da el alcance en funcin del espesor de absorbente de aluminio, con una

fuente de Sr. 2. Determinacin del alcance a partir de esa grfica. 3. Determinacin de la energa mxima de las partculas del Sr. 4. Comparacin de los resultados experimentales con los obtenidos a partir de la frmula de Feather y del

esquema de desintegracin del Sr. Al finalizar la prctica el alumno se tiene que haber dado cuenta de cmo se absorben las partculas beta por un medio material y comprobado la aproximacin de la frmula de Feather para ciertas energas.

Prctica 4: Detectores de centelleo. Absorcin de radiacin gamma

Los detectores de centelleo tienen una gran aplicacin en la deteccin de radiacin y . En esta prctica slo se va a utilizar como contador aunque se puede utilizar tambin como espectrmetro. Se utiliza adems en el caso en que tengan que medirse muestras de gran actividad, debido a que, por las caractersticas de la deteccin, el tiempo de resolucin es muy corto. Al detector se le proporciona la tensin de 1200 V con una fuente de alta tensin, y el impulso generado es recogido en una escala de recuento asociada al sistema. Dispositivo experimental: 1. Detector de centelleo. 2. Fuente radiactiva (Co) y absorbentes. 3. Fuente de alta tensin y escala de recuento. 4. Absorbentes (Pb, Fe y Al).




Objetivos de la prctica: 1. Determinacin de la eficiencia de un contador de centelleo. 2. Demostracin de la absorcin de la radiacin para distintos materiales (Al, Pb y Fe). 3. Dibujo de las curvas de absorcin en funcin del espesor del material interpuesto. 4. Determinacin del espesor de semirreduccin de un material para un determinado radionucleido, con las

curvas dibujadas anteriormente. 5. Clculo de los correspondientes coeficientes de absorcin lineal y msico. Comparacin con las predic-

ciones tericas. 6. Verificacin de la ley exponencial de absorcin. El alumno debe conocer bajo qu supuesto es vlida la ley de atenuacin exponencial de la radiacin gam-ma y si se cumple en los casos estudiados anteriormente. Tambin debe comparar la absorcin en distintos materiales.

Prctica 5: Determinacin experimental del periodo de una muestra radiactiva

El detector utilizado es un detector de centelleo similar al de la prctica anterior. Se utiliza una muestra de periodo corto (Ba) que se obtiene con un generador de istopos que contiene Cs en equilibrio con el Ba. Dispositivo experimental: 1. Generador de Cs137 Ba137, en equilibrio. 2. Disolvente. 3. Disolucin con Ba. 4. Detector de centelleo. 5. Fuente de alta tensin y escala de recuento. Objetivos de la prctica: 1. Dibujo de la curva de decaimiento exponencial de una muestra radiactiva. 2. Obtencin experimental del periodo de semidesintegracin de una muestra radiactiva. Prctica 6: Espectrometra de partculas alfa y beta. Absorcin de partculas alfa

En esta prctica el detector no es un plstico de centelleo, sino un detector de barrera de superficie. Las ventajas de estos detectores son que tienen mucha mayor resolucin que los de centelleo, y son muy linea-les. Adems ocupan muy poco espacio y tienen una respuesta muy rpida, lo que permite una alta velocidad de recuento. El sistema de medida se compone, adems, de un convertidor analgico-digital y un ordenador, lo que per-mite obtener los espectros de las muestras analizadas. Con un software apropiado se estudian los espectros. Dispositivo experimental: 1. Detector de barrera de superficie. 2. Convertidor analgico digital. 3. Ordenador, con software de tratamiento de espectros. 4. Muestras radiactivas (Am(), Sr() y Cs( y C.I.).



Objetivos de la prctica: 1. Estudio del espectro del Am. Clculo de la eficiencia del detector para este tipo de emisiones. 2. Determinacin del alcance de las partculas en aire. Curva de alcance. 3. Estudio del espectro del Sr. Clculo de la eficiencia del detector para este tipo de emisiones. 4. Calibracin en energas del espectro . 5. Estudio del espectro del Cs, as como de los picos de los electrones de conversin interna. El alumno debe pensar, con el esquema de desintegracin del Am, cmo debera verse el espectro de las partculas alfa en su estructura fina si la resolucin del detector fuera mejor. Adems comprobar que el al-cance de las partculas alfa en aire es muy pequeo y cul es la razn fsica de esto. Estudiar el esquema de desintegracin del Sr con la ayuda del espectro y el esquema de desintegracin del Cs con su es-pectro. Tambin comparar la eficiencia para partculas beta de este tipo de detectores con la del Geiger utilizado en la primera prctica.

Prctica 7: Espectroscopa gamma con detectores de INa(Tl) Los detectores de NaI(Tl) son detectores de centelleo, en los que la sustancia luminiscente es NaI(Tl). Para la deteccin de radiacin gamma, el NaI constituye la sustancia luminiscente ms utilizada. Adems se ob-tienen muy buenos valores de eficiencia. Para obtener los espectros de muestras emisoras gamma se utiliza un sistema de acumulacin de impulsos similar al de la prctica anterior: Detector, convertidor analgico-digital y ordenador. Dispositivo experimental: 1. Detector de NaI(Tl). 2. Convertidor analgico digital. 3. Ordenador, con software de tratamiento de espectros. 4. Muestras radiactivas.




Objetivos de la prctica: 1. Medida del fondo radiactivo gamma que llega al detector, cerrado y abierto. 2. Calibracin en energas del detector con una fuente radiactiva con picos de energa conocida, como

puede ser el Eu. 3. Determinacin de la eficiencia del detector para distintas energas. Grfica de la eficiencia en funcin de

la energa. 4. Medida de la resolucin de diferentes fotopicos. Grfica de la resolucin en funcin de la energa. 5. Obtencin y medida de espectros. Comprobacin del fotopico, la distribucin Compton y la retrodisper-

sin. 6. Clculo de los valores tericos del borde Compton y la retrodispersin basndose en los esquemas de

desintegracin. 7. Observacin del pico de aniquilacin obtenido con un emisor de positrones (Na) y del que se obtiene

cuando hay creacin de pares (Zn). 8. Determinacin de las energas de los fotopicos de una muestra desconocida. Determinacin de su com-

posicin. 9. Determinacin de la actividad de una muestra de Co comparndola con otra de actividad conocida,

tambin de Co. El alumno conocer cul es el fondo radiactivo natural y deber tener en cuenta si se debe despreciar el fondo en los espectros. Tambin comprobar que la eficiencia no es igual para todas las energas y ver cmo vara. Comprobar lo mismo en el caso de la resolucin. El alumno, al terminar la prctica, habr com-probado la importancia de la calibracin para la determinacin de los picos y conocer cmo son los espec-tros ms tpicos (Cs, Co, Na, Mn, Zn...), que habr comparado con la informacin que proporcio-nan los esquemas de desintegracin correspondientes. Tambin habr comprendido la explicacin terica del efecto producido por la radiacin electromagntica en la materia.

Prctica 8: Caracterizacin de un detector de Si(Li)

Los detectores de Si(Li) son detectores de semiconductor, en los que la sustancia semiconductora es es Si(Li). Para la deteccin de radiacin X y gamma, el Si(Li) constituye un detector con muy buena resolucin. Para obtener los espectros de muestras emisoras gamma y X se utiliza un sistema de acumulacin de impul-sos similar al de la prctica anterior: Detector, fuente de alta tensin, convertidor analgico-digital y ordena-dor. Este tipo de detectores slo pueden trabajar a la temperatura del nitrgeno lquido, por lo que se enfriar previamente a la toma de datos.



Dispositivo experimental: 1. Detector de Si(Li) 2. Electrnica asociada. 3. Contenedor de nitrgeno lquido

Objetivos de la prctica: 1. Calibracin en energas del detector con una fuente radiactiva con picos de energa conocida, como

puede ser el Am241. 2. Determinacin de la eficiencia del detector para distintas energas. Grfica de la eficiencia en funcin de

la energa. 3. Estimacin de la resolucin. Bloque 2: PRCTICAS DE FSICA DEL ESTADO SLIDO Prctica 1: Difraccin de Rayos X por un cristal Cuando inciden electrones rpidos sobre un metal se emiten rayos-X. Esta radiacin tiene una componente continua y un espectro policromtico, que se puede analizar y caracterizar con un cristal adecuado. Por otra parte, cuando se hace incidir rayos-X bien caracterizados sobre un cristal stos se ven difractados con orientaciones y ngulos diferentes, lo que permite determinar el espaciado interplanar de los planos di-fractantes del cristal y la constante de red, entre otros parmetros.

Dispositivo experimental:

Unidad de rayos-X con antictodo de cobre. Tubo contador Geiger-Muller

Mscara Colimador o Diafragma de 1 mm Cristal de FLi Interfaz Geiger-PC

1

3

2




PC con software COBRA

Objetivos de la prctica:

-- Caracterizacin del espectro de los rayos-X emitido por el cobre. -- Valoracin del efecto del potencial acelerador sobre el espectro de rayos X -- Determinacin de las energas y relacin de intensidades del espectro caracterstico

-- Anlisis del diagrama de difraccin y asignacin de planos difractantes a los diversos mximos -- Determinacin del parmetro de red y del espaciado interplanar de un cristal.

Prctica 2: Anlisis de bandas de energa electrnica en cristales diversos. La distribucin peridica de los tomos de un cristal afecta al comportamiento del sistema de electrones del mismo, e impone restricciones a los estados de energa. El efecto de los tomos se puede asemejar a un potencial peridico de forma determinada y, as, con ayuda de la ecuacin de Schrdinger, comprender la naturaleza de las funciones de onda y energas electrnicas.


Ordenador Programa de simulacin SSS-BLOCH


-- Explorar los rasgos de la funcin de onda electrnica sin y con potencial peridico -- Valorar los estados con vector de onda imaginario -- Analizar la estructura de bandas de tres tipos de cristal -- Analizar las tendencias que se observan en los valores de los niveles de energa y en el tamao de las bandas, en cada tipo -- Explicar estas tendencias en funcin de la alteracin que sobre el aspecto fsico del problema se ha llevado a cabo al variar cada uno de los parmetros de la simulacin: las dimensiones del pozo ligadas a las caractersticas fsicas del cristal.



Prctica 3:.Determinacin de la banda de energa electrnica prohibida en un cristal semiconduc-tor La conductividad de los semiconductores vara con la temperatura a la que stos se encuentren. Esta pro-piedad es fundamental para definir el comportamiento elctrico de estos materiales, y distinguirlos de aislan-tes y conductores. El comportamiento de la conductividad en los semiconductores se explica por la presencia de una banda prohibida de energa, cuyo valor vara con el material. Dispositivo experimental:

Fuente de potencia universal de tensin alterna y tensin continua Placa portadora con cristal de germanio intrnseco, circuito calefactor, termopar, y conectores elctri-

cos Multmetros digitales Medidor de voltajes-temperaturas Resistencia de carga de 180 ohmios

Soportes, cables, etc.


-- Determinacin del valor de la banda prohibida del germanio a partir de medidas de la variacin de conductividad intrnseca del material con la temperatura.

-- Verificacin de la ley exponencial de dependencia de la conductividad intrnseca con la temperatu-ra

Prctica 4: Efecto Hall en semiconductores Cuando una densidad de corriente fluye en la direccin Ox de una lmina semiconductora sobre la que ac-ta, perpendicularmente a ella, en la direccin Oz, un campo magntico se observa la aparicin de un voltaje en la direccin Oy. Este procesoconocido como efecto Hallpermite determinar las propiedades de transporte del semiconductor.


Fuente de potencia universal de tensin alterna y continua Fuente de alimentacin 12V / 2 A Mdulo Hall Sonda Hall




Placa portadora con cristal de germanio dopado, circuito calefactor y conectores elctricos Bobina de 600 vueltas Ncleo de hierro laminado Piezas polares

Trpode, soportes, cables, etc. Ordenador Unidad bsica COBRA 3 Software COBRA 3- Efecto Hall


-- Medida de la resitividad y voltaje Hall en funcin del campo magntico y la temperatura -- Determinacin de la conductividad especfica y del tipo de portador -- Determinacin de la concentracin y movilidad de los portadores

Bloque 3: PRCTICAS DE FSICA DE FLUIDOS La informacin sobre este grupo de prcticas estar disponible en el Curso Virtual. Bloque 4: PRCTICAS DE IMAGEN DIGITAL La informacin sobre este grupo de prcticas estar disponible en el Curso Virtual.



4.- ORIENTACIONES PARA LA REALIZACIN DEL PLAN DE ACTIVI-DADES Como ya se ha indicado, el estudiante debe cursar 6 crditos ECTS, es decir, 150 horas de trabajo, 40 de las cuales corresponden a sesiones de laboratorio presenciales y obligatorias en los laboratorios docentes de la Facultad de Ciencias de la UNED (P Senda del Rey, 9. 28040-Madrid) y del el Centro Asociado de Las Rozas (Ctra. de las Rozas al Escorial Km 5. 28230 Las Rozas Madrid). Las prcticas, bajo la supervisin del equipo docente de la asignatura, se harn por grupos, con sesiones de maana y tarde para concentrar las horas presenciales en una nica semana. El trabajo de laboratorio facilitar al estudiante el desarrollo de sus habilidades para el manejo responsable y cuidadoso de aparatos, la organizacin, planificacin y desarrollo de un mtodo de trabajo eficaz, y el trabajo en grupo, mediante el intercambio de opiniones y el establecimiento de debates con los compaeros, eva-luando as diferentes puntos de vista. Competencias que contribuyen de forma muy clara a la obtencin de los objetivos marcados para un estudiante que curse el Grado en Fsica. Una tarea muy importante en esta asignatura es la elaboracin de los informes de las prcticas. Con su realizacin, el estudiante habr aprendido a redactar informes cientficos bien estructurados, claros y conci-sos, lo que, a la vez de incrementar su capacidad de comunicacin, demostrar que ha entendido en profun-didad la naturaleza de los fenmenos estudiados, tanto en su aspecto terico como en su implementacin prctico-experimental. Los informes de las prcticas realizadas debern ser presentados a travs del curso virtual, por lo que el estudiante debe ser capaz de generar los mismos utilizando el software adecuado (procesador de texto cien-tfico, grficos,...). Criterios precisos de evaluacin La calificacin final del estudiante se obtendr a partir de los siguientes elementos:

Trabajo y prueba en red sobre la prctica de adquisicin de datos con una tarjeta AD/DA y el problema de medida por imagen. Se calificar sobre 10 y contribuir con el 25% a la calificacin final de la asignatura.

Trabajo desarrollado en el laboratorio, trabajo previo de preparacin de prcticas y memoria final de

cada prctica. Se calificar sobre 10 puntos y contribuir con el 75% a la calificacin final de la asignatura. Esta nota incluye la evaluacin continua a travs de la realizacin de los ejercicios y/o informes propuestos en el curso virtual, la valoracin del trabajo desarrollado en el laboratorio y la calificacin de las memorias de prcticas.

Estas dos actividades son de realizacin obligatoria. Para superar la asignatura es necesario aprobar cada una de las dos partes por separado. La nota final de la asignatura la proporcionar la suma de la nota de cada actividad, considerando su peso. Ntese que esta asignatura no tiene examen en las convocatorias oficiales de pruebas presenciales. La evaluacin continua se realizar a travs de la realizacin de los ejercicios y/o informes propuestos en el curso virtual, el seguimiento del trabajo en el laboratorio y los informes finales de las prcticas.




5.- GLOSARIO Adems de los trminos que puedan aparecen en los glosarios de las asignaturas de Fsica Nuclear y de Partculas, Fsica del Estado Slido y Fsica de Fluidos, indicamos a continuacin algunos otros que pueden ser tiles en la realizacin de las prcticas de laboratorio correspondientes a esta asignatura. Alcance Para una partcula cargada determinada que incide perpendicularmente sobre la superficie de un medio material de-terminado, es la distancia mxima de penetracin en ese medio. Atenuacin Disminucin de la intensidad de la radiacin emitida por una fuente al atravesar un espesor en un medio material, que resulta de las diferentes interacciones con la materia. Conversin interna Desexcitacin de un ncleo atmico que no aparece en forma de un fotn gamma, sino que cede la energa de desex-citacin a un electrn cortical, generalmente de las capas K y L, el cual escapa de tomo dejndolo ionizado. Coeficiente de absorcin Para radiaciones indirectamente ionizantes (radiacin gamma en este caso), probabilidad de que un fotn interaccione por unidad de recorrido. Creacin de pares Produccin simultnea de un electrn y un positrn como resultado de la materializacin de un fotn, de energa supe-rior a 1,022 MeV. Detector Material o dispositivo sensible a algn agente fsico y que en su presencia puede producir una seal medible. Detector de centelleo Dispositivo conteniendo una sustancia fluorescente (sulfuro de zinc, cristal de ioduro de sodio, ciertos compuesto or-gnicos...), un tubo fotomultiplicador y los circuitos electrnicos apropiados para contar y analizar los destellos origina-dos en dicha sustancia por las radiaciones ionizantes. Detector gaseoso Detector de radiacin constituido por una cmara de gas inerte, con dos electrodos conectados a una fuente de ten-sin elctrica continua, en la que la radiacin incidente provoca la ionizacin parcial del gas de llenado de la cmara y con ello una corriente elctrica que es medida por el instrumento adecuado. Detector tipo semiconductor Dispositivo constituido por la unin de dos zonas de semiconductor, una de tipo p y otra de tipo n, polarizadas inver-samente por una tensin continua, lo que determina la formacin de una zona intermedia exenta de portadores de carga, hasta que la llegada de una radiacin ionizante provoca la liberacin de tales portadores electrn-hueco y con ello la aparicin de un impulso elctrico. Eficiencia de deteccin En un detector de radiaciones es la razn entre el nmero de partculas o fotones detectados en un intervalo de tiem-po y el de los que incidieron sobre el detector en ese tiempo. Efecto Compton Difusin entre un fotn y un electrn libre o dbilmente ligado, en la que parte de la energa del fotn incidente se co-munica al electrn y el fotn difundido tiene una longitud de onda superior a la del incidente. Efecto fotoelctrico Es una interaccin de un fotn con un electrn ligado del tomo y no se puede producir con electrones libres. Emisin de un electrn por un tomo como consecuencia de la absorcin de un fotn. Espesor de semirreduccin Para una determinada radiacin es el espesor de material necesario para reducir el flujo a la mitad del inicial. Espectro Distribucin energtica de las partculas o fotones que emite un determinado istopo radiactivo o que aparecen en una reaccin nuclear. Fotoelectrn Electrn liberado por efecto fotoelctrico.



Fotomultiplicador Es un tubo electrnico que convierte los impulsos de luz en impulsos de corriente por medio de un fotoctodo y des-pus son multiplicados al atravesar unos dinodos. Radiactividad natural Radiactividad procedente de las transformaciones radiactivas de los materiales de la corteza terrestre (desintegracin de algunos istopos como el K40, U238 Th232) o de origen extraterrestre. Resolucin energtica Es la anchura a semialtura de una lnea con relacin a la energa. Indica la capacidad que tiene el detector de separar energas prximas. Tiempo muerto En un detector de radiacin, tiempo que sigue a la deteccin de una partcula o fotn y durante el cual el dispositivo es incapaz de detectar una nueva partcula o fotn incidentes.

Guía Parte II Técnicas Experimentales IV-2015

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