Экспериментальная часть

Для изучения дифракции электронов и определения межплоскостных расстояний используется экспериментальная установка, внешний вид которой представлен на рис.4. В ее состав входят специальная электронно-лучевая трубка, источник высокого напряжения 0 – 10 кВ, универсальный источник питания, соединительные провода, штангенциркуль.

Рис.4. Экспериментальная установка для изучения дифракции электронов: 1 – электронно-лучевая трубка; 2 – источник высокого напряжения; 3 – универсальный источник питания.

Устройство специальной электронно-лучевой трубки и её схема подключения представлены на рис.5 и рис.6. В вакуумной сферической стеклянной колбе находится электронная пушка, позволяющая формировать сфокусированный электронный пучок из электронов, испущенных катодом в результате термоэлектронной эмиссии. Электроны этого пучка обладают одинаковой кинетической энергией, определяемой ускоряющей разностью потенциалов U_а, которая приложена между катодом и анодом. Ускоренные электрическим полем электроны дифрагируют на тонком поликристаллическом слое графита и формируют кольцеобразную дифракционную картину, которая визуализируется с помощью флуоресцентного слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность стеклянной колбы.

Рис.5. Устройство специальной электронно-лучевой трубки.

Рис.6. Схема подключения электронно-лучевой трубки.

Возникновение дифракционной картины при рассеянии электронов на поликристаллах графита подтверждает наличие у них волновых свойств. Диаметр дифракционного кольца зависит от ускоряющего напряжения, определяющего длину волны электронов. Учитывая, что угол скольжения при дифракции электронов в два раза меньше угла их отклонения от направления первоначального распространения, величину можно определить на основе геометрического построения, показанного на рис.7:

, (10)

где D = 127 мм – внутренний диаметр стеклянной колбы, 2r – диаметр кольца, которое образуется на флуоресцирующем экране трубки.

Рис.7. Схема формирования дифракционной картины.

Методика выполнения работы

Перед выполнением работы изучите экспериментальную установку (рис.4), электрические соединения в которой соответствуют рис.6.

Включите источники питания (рис.4, поз.2, 3) выключателями, расположенными на их задних стенках. Вращая ручки 1 и 2 универсального источника питания (рис.8) по часовой стрелке, установите напряжение на клеммах G1 и G4 электронно-лучевой трубки (рис.5) равными:

• ручка 1, клемма G1: 30 – 35 В

• ручка 2, клемма G4: 250 В.

Рис.8. Внешний вид передней панели универсального источника питания:

1 – ручка регулировки напряжения 0 – 50 В; 2 – ручка регулировки напряжения 0 – 300 В.

Переключатель 3 источника высокого напряжения (рис.9) установите в среднее положение, при этом с верхней и нижней клемм 4 снимается напряжение, величина которого регулируется вращением ручки 2 и измеряется вольтметром 1. Это напряжение прикладывается между катодом и анодом электронно-лучевой трубки, и его величина изменяется при проведении эксперимента в диапазоне 7,5 – 9 кВ.

Рис.9. Внешний вид передней панели источника высокого напряжения: 1 – дисплей вольтметра; 2 – ручка регулировки напряжения; 3 – переключатель источника высокого напряжения; 4 – клеммы.

После установления указанных напряжений на флуоресцентном экране трубки образуются концентрические окружности. Занесите в таблицу показания вольтметра источника высокого напряжения (рис.9). Измерьте с помощью штангенциркуля диаметры 2r₁ и 2r₂ образовавшихся двух первых дифракционных колец (максимумов интенсивности, m = 1) и занесите результаты в таблицу.

Плавно изменяя ускоряющее напряжение с помощью ручки 2 источника высокого напряжения (рис.9), выполните 3 – 5 измерений диаметров двух первых дифракционных колец. Результаты выполненных измерений занесите в таблицу.

Таблица

N п/п	, В	2r1, мм	φ1, °	2r2, мм	φ2, °	, пм	d1, пм	d2, пм
1
2
3
4

По формуле (10) вычислите углы скольжения ₁ и ₂.

По формуле (9) вычислите длину волны де Бройля электронов для каждого , затем на основе формулы Брэгга-Вульфа (2) рассчитайте межплоскостные расстояния и и занесите результаты в таблицу.

Вычислите средние значения и и оцените погрешности измерений. Сравните полученные результаты со справочными данными. Сделайте вывод.

При проведении вычислений используйте следующие справочные данные:

Постоянная Планка Джс;

Скорость света в вакууме м/с;

Элементарный заряд Кл;

Масса электрона кг.