Порядок выполнения работы

1. В каталоге PHYS\ИмитЛаб\... найти файл ЛабМилл.exe и запустить его.

2. Ознакомиться с краткой информацией, предоставляемой интерфей­сом программы и позволяющей продолжать работу дальше.

3. В режиме «Ввод данных» выбрать заданную ширину исследуемой полосы

(расстояние h) и степень ионизации.

3. В режиме "Демонстрация" наблюдать свободное падение капелек и их подъем при включении электрического поля, а также результаты измерения их времени подъема и падения. Опыт продолжать до получения заданной выборки.

4. Имитируя облучение пространства между пластинами конденсато­ра рентгеновскими лучами (ионизация), повторить экспери­мент при другом заданном заряде капелек.

5. В режиме "Таблица" ознакомиться с результатами эксперимента и перенести их в рабочий журнал (или сохранить и распечатать).

.

Обработка результатов измерений

1. По формуле равномерного движения рассчитать скорости падения и подъема капель.

2. По формуле (5) рассчитать заряды капель и их кратность заряду электрона.

3. Провести статистическую обработку результатов измерения за­ряда капелек по сделанным выборкам измерений, определив доверительный интервал и его надежность.

Заключение

В произвольной форме сделать выводы о проделанной работе. Срав­нить полученный результаты с табличными.

Лабораторная работа N 2.23

Опыт томсона

Цель работы: Определение заряда положительных ионов, исследование

изотопного состава чистых элементов.

Введение

Положительные ионы образуются в газах (парах) путем выбивания ва­лентного электрона(реже двух и более) из нейтральных молекул. Это может происходить под действием различных ионизирующих факторов:

1. Нагрев газа (термоионизация) - образование ионов при столкнове­нии нейтральных молекул с высокой скоростью теплового движения.

2. Действие электромагнитным излучением - образование ионов при облучении газа квантами УФ излучения, квантами R-лучей, γ-квантами.

3. Действие корпускулярными потоками - образование ионов при столкновениях потоков электронов, протонов, нейтронов и других частиц с нейтральными молекулами.

Во всех случаях ионизация носит пороговый характер, т.е. для ее начала необходимо достичь определенного запаса энергии, называемой энергией ионизации. Энергия ионизации различна для молекул(атомов) раз­ного сорта. Так как ионы при ионизации возникают парами (положительный и отрицательный),интенсивность процесса ионизации характеризуют числом возникающих пар ионов в единице объема за единицу времени - Δn_i.

Одновременно с ионизацией идет обратный процесс рекомбинации - воссоединение положительных ионов и электронов или нейтрализация раз­ноименных ионов при их столкновениях. Процессы ионизации и рекомбинации уравновешиваются при некоторой равновесной концентрации ионов n, вели­чина которой определяется следующим выражением:

n = ,

где r - коэффициент рекомбинации, характеризующий способность ио­нов данного сорта молекул рекомбинироваться.

Под действием электрического поля ионы приобретают направленное движение, но, возникая в разных точках объема газа, будут проходить нео­динаковую разность потенциалов и, следовательно, иметь разную ско­рость. Последнее обстоятельство затрудняет применение традиционных ме­тодов для определения удельного заряда ионов. Однако, Томсоном в 1907 г. был предложен так называемый "метод парабол", который позволил обойти это затруднение.

В опыте Томсона пучок положительных ионов проходил через область, в которой создавались параллельные друг другу однородные электрическое и магнитное поля, направленные перпендикулярно к первоначальному нап­равлению пучка (рис.1).

Поля вызывали отклонение положительных ионов. Под действием элект­рического поля ионы отклонялись вверх на расстояние y, под действием магнитного поля - вправо на расстояние x. Координаты x и y можно вычис­лить, рассматривая уравнения движения ионов в электрическом и магнитном полях:

x = (q/m)B(l₁/v)(l₁/2+l₂) , (1)

y = (q/m)E(l₁/v²)(l₁/2+l₂) ,

где v - скорость движения иона с удельным зарядом q/m, l₁ - протяженность области действия электрического и магнитного полей, l₂ - расстояние от границы этой области до фотопластинки, ре­гистрирующей попадающие на нее ионы, E, B - напряженности электрического и магнитного полей.

В системе отсчета, изображенной на рис.1, x и y являются координа­тами точки, в которую попадают ионы, имеющие данный удельный заряд q/m и величину скорости v. Исключая из выше приведенных уравнений ско­рость, получим уравнение кривой, на которую попадают следы ионов с одним и тем же удельным зарядом:

y = C(m/q)x², (2)

где С – константа установки, объединяющая все постоянные для установки вели­чины(Е,B,l₁,l₂).

Этим уравнением является парабола (отсюда название метода).Зная константу установки С, из полученной в результате эксперимента параболы можно найти удельный заряд иона. Так как ионы с разными удельными заря­дами попадают на разные параболы, опыт Томсона позволяет не только оп­ределить удельный заряд ионов, но и анализировать изотопный состав пуч­ка ионов чистых элементов, сравнивая число ионов на разных параболах.

Описание установки(программы)

Реальная установка для опыта Томсона содержит источник положи­тельных ионов, находящихся в газообразной фазе(для конденсированных элементов - это пары этих элементов). Далее узкий пучок этих ионов нап­равляется в вакуумированную камеру, где на него воздействуют электри­ческим и магнитным полями. Затем ионы попадают в фотокамеру для регист­рации их следов на фотопластинке. Обрабатывая уравнения парабол, зафик­сированных на фотопластинке, находят удельный заряд ионов.

Программа имитирует отклонение однократно ионизированных атомов простых элементов под действием электрического и магнитного полей, вы­числяет координаты x и y, имитирует регистрацию следов ионов на фотоп­ластинке. Интерфейс программы позволяет выбрать для исследования эле­менты из предлагаемого ряда.

Исходные данные имитационного эксперимента дают значение константы установки С = 2,02·10^-3 мм^-1, если масса m = A(массовое число),а q = е =1 (однократная ионизация). Координа­ты x и y измеряются в мм.