7
Modelling Forces Using Python Exploring alpha particle scattering due to gold Atoms and the motion of a satellite about Mars Jack Parkinson ABSTRACT The plum pudding and nucleus ideas of an atom are modelled using python and compared; the findings agree with those experimentally verified by Ernest Rutherford. Additionally, the motion of a satellite around Mars whilst Mars is stationary is compared to when Mars is moving and the conclusion is that there is no difference in the motions other than a shift in velocity.

Modelling Forces in Python - · PDF fileModelling Forces-Using-Python-Exploring*alphaparticle*scattering*due*to*gold*Atoms*and*the*motion*of*a satellite*aboutMars* JackParkinson* ABSTRACT

  • Upload
    ngoque

  • View
    226

  • Download
    3

Embed Size (px)

Citation preview

 

Modelling Forces  Using  Python  Exploring  alpha  particle  scattering  due  to  gold  Atoms  and  the  motion  of  a  satellite  about  Mars  

Jack  Parkinson  

ABSTRACT  

The  plum  pudding  and  nucleus  ideas  of  an  atom  are  modelled  using  python  and  compared;  the  findings  agree  with  those  experimentally  verified  by  Ernest  Rutherford.  Additionally,  the  motion  of  a  satellite  around  Mars  whilst  Mars  is  stationary  is  compared  to  when  Mars  is  moving  and  the  conclusion  is  that  there  is  no  difference  in  the  motions  other  than  a  shift  in  velocity.        

Introduction  Many  problems  in  physics  involve  differential  equations  that  can  be  very  difficult  or  simply  impossible  to  solve  analytically;  these  must,  therefore,  be  solved  using  numerical  methods.  This  report  considers  the  trajectory  of  a  satellite  around  Mars  with  varying  initial  conditions,  and  a  comparison  between  two  models  of  the  atom,  the  plum  pudding  and  nucleus  models,  using  alpha  particle  scattering.    The  coupled  differential  equations  that  result  from  these  scenarios  are  solved  using  scipy.integrate.odeint,  which,  given  a  function  and  an  equation  relating  the  variables  involved,  and  a  set  of  initial  conditions  to  integrate  over,  can  return  a  set  of  solutions  for  the  components  of  position  and  velocity  for  the  satellite  or  alpha  particles.  

Alpha  Particle  Scattering  

Theory  The  plum  pudding  and  nucleus  models  describe  what  an  atom  is  composed  of;  the  former  describes  an  atom  as  a  sphere  of  uniform  positive  charge  interspersed  with  negative  electrons,  whereas  the  latter  takes  an  atom  to  be  largely  empty  space  with  a  small,  hard  nucleus  at  the  centre  with  all  the  positive  charge.  This  difference  gives  rise  to  different  predictions  for  the  behaviour  of  charged  particles  close  to  an  atom.      If  alpha  particles  of  mass  m=6.645x10-­‐27  kg  and  charge  q=+2e  C    are  fired  at  gold  atoms  of  radius  rga=67.5x10-­‐12  m,  mass  M=326.97x10-­‐27  kg  and  charge  Q=+79e,  then  the  force  on  the  alpha  particle  at  a  distance  r  from  the  centre  of  the  gold  atom  for  the  nucleus  model  is:    

   

This  is  also  valid  for  the  plum  pudding  model  provided  that  r  ≥  rga  where  rga  is  the  radius  of  the  gold  atom.  For  r  <  rga  the  force  is  instead  given  by  a  slightly  different  equation  accounting  for  the  difference  in  charge  distribution  within  the  atom:    

   

Thus    we  find  the  equations  of  motion  of  the  alpha  particles  in  the  x  and  y  directions  to  be:    

   

     

   

   

These  are  the  equations  used  by  scipy.integrate.odeint,  along  with  initial  conditions,  to  find  the  solutions  numerically.    

F =1

4⇡✏0

Qq

r2(1)

F =1

4⇡✏0

Qqr

r3ga(2)

x =kQq

m

x

(x2 + y

2)3/2(3)

y =kQq

m

y

(x2 + y

2)3/2(4)

x =kQq

m

x

r

3ga

(5)

y =kQq

m

y

r3ga(6)

For  the  nucleus  model  and  the  plum  pudding  model  when  r  ≥  rga.  

For  the  plum  pudding  model  when  r  <  rga.  

k =1

4⇡✏0                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          =8.854x10-­‐12  C2N-­‐1m-­‐2  

is  the  permittivity  of  free  space.  

Method  To  compare  the  two  models  of  the  atom  we  used  python  to  simulate  firing  5  MeV  alpha  particles  at  a  plum  pudding  atom  and  an  atom  with  a  nucleus.  The  crucial  difference  in  the  models  as  far  as  the  mathematics  is  concerned  is  changing  the  equation  for  the  forces  from  (3)  and  (4)  to  (5)  and  (6)  for  the  plum  pudding  model  when  r  <  rga,  and  this  is  what  the  code  does.  Additionally  it  was  necessary  to  alter  the  potential  energy  for  the  plum  pudding  model  when  the  alpha  particle  entered  the  gold  atom  although  this  was  not  achieved  successfully;  this  would,  however,  leave  the  position  and  velocity  solutions  unaffected  as  the  potential  energy  was  calculated  using  this  solutions–the  only  effect  is  that  the  total  energy  of  the  alpha  particle  ‘appears’  to  increase  though  this  is  obviously  not  the  case  in  reality.    The  program  was  set  up  to  shoot  alpha  particles  at  these  atoms  horizontally  in  the  positive  x  direction  with  a  speed  of  15.5x106  ms-­‐1  from  various  heights  above  and  below  the  centre  of  the  atom  using  a  while  loop  to  provide  a  broad  range  of  trajectories  to  analyse  and  compare.  All  atoms  were  fired  from  from  a  horizontal  displacement  of  x0=-­‐10rga.  The  initial  set-­‐up  is  shown  below:    

For  the  plum  pudding  model,  the  initial  height  was  varied  from  2rga  ≥  y  ≥  -­‐2rga  and  for  the  nucleus  model  from  50rgn  ≥  y  ≥  -­‐50rgn  where  rgn=5.0x10-­‐15  m  is  the  radius  of  the  gold  nucleus.  The  initial  horizontal  speed  mentioned  above  was  calculated  as  shown  on  the  diagram,  where  K0  is  the  initial  kinetic  energy.    

Results  and  Discussion  As  can  be  seen  by  figures  2  and  3,  the  two  models  produce  very  different  trajectories  for  the  incident  alpha  particles.  The  plum  pudding  model  causes  almost  no  deflection  at  all  for  all  heights,  whereas  the  nucleus  model  causes  large  deflections  for  alpha  particles  that  pass  very  close  to  the  centre,  with  some  

alpha  particles  deflected  over  90  degrees.  In  both  cases,  the  majority  of  particles  continue  in  the  same  direction  as  expected.    

             

 

Figure  1:  Initial  Set-­‐Up  for  Alpha  Scattering  Experiments  

Figure  3:  Plum  Pudding  Model  Trajectories   Figure  2:  Nucleus  Model  Trajectories  

Plotting  the  deflection  angle  as  a  function  of  initial  vertical  displacement  produces  the  graphs  below.  The  vertical  scales  clearly  show  the  disparity  between  the  levels  of  deflection  produced  by  the  two  different  models.  The  most  striking  difference  is  that  there  is  close  to  zero  deflection  for  an  alpha  particle  passing  near  the  centre  of  a  plum  pudding  atom,  yet  almost  180  degree  deflection  for  an  alpha  particle  at  the  same  position  within  a  nucleus  model  atom.    The  maximum  deflection  in  the  plum  pudding  model  occurs  at  a  displacement  of  ±67.5  nm  (i.e.  rga  at  the  edges  of  the  atom)  and  is  only  about  0.04  degrees  compared  to  a  complete  180  degrees  deflection  for  an  alpha  particle  that  is  directed  directly  at  the  nucleus  of  the  other  model.  

 A  plot  of  the  energy  changes  for  a  single  trajectory  of  both  models  shows  that,  as  aforementioned,  the  total  energy  of  an  alpha  particle  appears  to  deviate  inside  the  atom  for  the  plum  pudding  model;  however  this  is  merely  an  issue  with  the  code  and  not  a  real  physical  deviation.  The  graph  is  plotting  potential  energy  as  U=kQq/r2  when  for  r  <  rga,  it  is  actually  U=kQq(3-­‐(r2/rga2))/2rga  which  is  slightly  lower;  were  this  equation  implemented  within  the  model  then  energy  conservation  would  

presumably  be  restored.  For  the  nucleus  model  no  such  problem  is  apparent  and  thus  we  can  plot  the  per  cent  change  in  total  energy  against  time  to  give  a  measure  of  the  accuracy  of  the  numerical  integrator  scipy.integrate.odeint.    As  the  graph  to  the  right  shows,  the  changes  are  almost  negligible,  on  the  order  of  10-­‐7%.  This  implies  that  scipy.integrate.odeint  is  very  accurate  for  this  particular  problem;  however,  the  deviations  do  show  a  tendency  to  increase  with  time.  

Conclusions  From  the  above  data  it  is  very  easy  to  see  that  the  plum  pudding  and  nucleus  models  produce  very  different  results  and  that  the  plum  pudding  model  does  not  provide  an  accurate  description  of  the  structure  of  an  atom  as  experiments  conducted  have  shown  results  concurrent  with  the  nucleus  model.    It  is  also  evident  that  scipy.integrate.odeint  can  solve  differential  equations  to  a  high  degree  of  accuracy.    It  is  worth  noting  some  shortcomings  of  the  models  used.  Firstly,  the  plum  pudding  model  used  fails  to  take  into  account  the  different  potential  energy  inside  an  atom  resulting  in  the  model  disobeying  the  conservation  of  energy.  Moreover,  it  overlooks  the  negative  electrons  within  the  charged  sphere  that  could  have  had  a  measurable  effect  on  the  motion  of  the  alpha  particles.  Similarly  for  the  nucleus  model  the  electrons  that  would  have  been  around  the  nucleus  were  ignored.  

         

     

Figure  5:  Plum  Pudding  Deflection  Angles  

Figure  6:  Nucleus  Model  Deflection  Angles  

Figure  7:  Single  Trajectory  for  the  Plum  Pudding  Model,  Showing  Total  Energy  Deviation  

Figure  8:  Single  Trajectory  for  the  Nucleus  Model,  Showing  Energy  Conservation  

Figure  9:  %  change  in  Total  Energy  for  a  range  of  Alpha  Particles  

Motion  of  a  Satellite  About  Mars  

Theory  A  satellite  of  mass  m=260  kg  in  the  vicinity  of  the  planet  Mars  with  mass  M=6.44x1023  kg  and  radius  R=3.4x106  m  will  experience  a  force  of  attraction  towards  Mars,  due  to  gravity.  This  force  can  be  calculated  for  any  distance  r  between  the  centre  of  Mars  and  the  satellite  using:    

   

This  equation  leads  to  the  equations  of  motion  of  the  satellite  in  the  x  and  y  directions:    

   

   where  G=6.67x10-­‐11  Nm-­‐2kg-­‐2  is  the  Universal  Gravitational  constant.    

Method  The  model  was  set  up  so  that  the  satellite  was  initially  fired  from  a  displacement  of  x0=-­‐10R,  y0=-­‐10R  with  no  vertical  speed  and  a  varying  horizontal  speed  vx  with  Mars  stationary.  Once  again  we  set  up  a  function  containing  the  components  of  position  and  velocity  and  the  equations  of  motion  and  integrated  with  scipy.integrate.odeint  to  produce  a  set  of  solutions  for  the  positions  and  velocities  at  many  moments  in  time.  Later  we  had  to  introduce  the  velocity  of  Mars;  to  do  this  we  let  it  move  along  the  +x-­‐axis  only  since  the  problem  is  spherically  symmetrical,  to  make  the  calculations  easier.  We  had  to  introduce  the  velocity  of  Mars,  vM,  into  the  function  and  also  had  to  account  for  it  in  the  integrated  solutions.  The  initial  set-­‐up  is  shown  diagrammatically  below.        

F = �GMm

r2(1)

x = � GMx

(x2 + y

2)3/2(2)

y = � GMy

(x2 + y

2)3/2(3)

Figure  10:  Initial  Set-­‐up  for  Satellite/Mars  Model.  

Results  and  Discussion  Using  while  loops  the  model  was  able  to  graph  a  range  of  trajectories  for  both  a  stationary  and  a  moving  Mars.  These  are  shown  below.  The  trajectories  of  the  satellites  are  very  similar  in  both  plots;  this  is  

actually  not  at  all  surprising  when  one  considers  the  only  difference  Mars  moving  makes  is  to  give  a  constant  velocity  shift  to  the  satellite  of  -­‐24100  kms-­‐1  in  the  x-­‐direction;  that  is,  the  force  causing  the  orbits  does  not  change  as  a  result  of  the  shift  in  relative  velocity  between  the  satellite  and  Mars.  

 A  plot  of  angular  deviation  against  initial  speed  makes  it  more  evident  that  the  only  difference  between  the  two  models  is  a  velocity  shift.  We  define  the  angular  deviation  as  the  angle  the  velocity  subtends  with  the  horizontal  when  the  satellite  has  escaped  and  is  essentially  travelling  in  a  straight  line  (see  figure  13).    

                   

The  graphs  show  that  the  curve  is  simply  translated  along  the  velocity  axis,  highlighting  that  there  is  nothing  changing  in  the  physics  when  Mars  is  moving;  the  force  and  the  resulting  motions  are  all  of  the  same  form,  just  with  a  speed  offset.  For  both  models  the  angular  deviation  is  greatest  when  the  satellite  is  just  going  fast  enough  to  escape,  i.e.  when  it  initially  has  the  escape  velocity,  and  the  deviation  tends  to  zero  as  the  speed  increases.  

 Due  to  the  manner  in  which  the  experiment  was  set  up,  in  that  the  satellite  was  given  only  a  horizontal  velocity  initially,  the  distance  of  closest  approach  is  always  just  the  initial  vertical  distance  when  gravity  is  ignored.  If  gravity  is  taken  into  account  then  the  graphs  of  closest  approach  against  initial  speed  are  once  again  identical  with  a  shift  along  the  velocity  axis  as  can  be  seen  in  figures  16  and  17.  

                   

Figure  11:    Trajectories  for  Stationary  Mars   Figure  12:  Trajectories  for  Mars  Moving  at  24100ms-­‐1  in  the  +x-­‐direction  

Figure  13:  Angular  Deviation  Figure  14:  Angular  Deviation  when  Mars  is  Stationary  

Figure  15:  Angular  Deviation  when  Mars  is  in  Motion  

Figure  16:  Closest  Approach  for  Stationary  Mars  

Figure  17:  Closest  Approach  for  Moving  Mars  

The  total  energy  T  of  the  satellite  ought  to  remain  constant  throughout  it’s  entire  motion,  as  the  kinetic  energy  K=m(vx2+vy2)/2  and  potential  energy  U=-­‐GMm/(x2+y2)1/2  change  and  T=K+U.  Figures  18  to  20  show  this  to  be  the  case  in  the  3  possible  types  of  trajectory:  (i)  a  crash,  (ii)  an  orbit,  and  (iii)  an  escape.  

Conclusions  The  data  shows  the  motion  of  a  satellite  nearby  a  stationary  or  moving  Mars  to  be  essentially  the  same  but  with  a  shift  in  velocity;  if  the  relative  velocity  of  the  satellite  to  Mars  is  the  same  then  both  models  produce  exactly  the  same  curves  with  a  translation  along  the  velocity  axis.    Additionally  the  models  show  once  again  that  scipy.integrate.odeint  accurately  solves  the  differential  equations  and  obeys  the  conservation  of  energy  to  a  high  degree  of  accuracy.      

   

   

Figure  19:  Energy  During  an  Orbit   Figure  20:  Energy  During  an  Escape  Figure  18:  Energy  During  a  Crash