Экспериментальная часть

1. Изучить тему "Удельный заряд частицы и методы его определения".

2. Собрать экспериментальную установку по схеме, представленной на рисунке 7. Параметры установки следующие:

радиус катушки = 0,012 м;

расстояние от центра катушки до экрана трубки = 0,1 м;

потенциал анода = 2000 В;

число витков на единице длины катушки = 900 м^-1.

2. После проверки собранной цепи преподавателем включить в сеть осциллограф, выпрямитель и подсветку шкалы амперметра.

3. Ручками перемещения луча осциллографа вывести электронный пучок на середину экрана.

4. Подать постоянное напряжение на катушку, отклоняющую электронный пучок.

5. Измерить силу тока в катушке и величину смещения луча. Записать результаты в таблицу 1.

Таблица 1

№№ пп	Сила тока, А	Смещение луча , м	Удельный заряд , Кл/кг	Среднее значение удельного заряда , Кл/кг	Погрешность определения удельного заряда , Кл/кг

2. Повторить пп 5 и 6 при других четырех значениях напряжения на отклоняющих катушках. Напряжение изменять реостатом или регулировочной ручкой выпрямителя (по указанию преподавателя).

3. При каждом из используемых значений напряжения повторить опыт 3 – 5 раз. Усреднить измеренные значения силы тока и смещения луча.

4. Вычислить значения для каждого напряжения.

9. Найти среднее значение удельного заряда e/m и наибольшую погрешность эксперимента [5].

10. Записать конечный результат в виде и сравнить его с табличным значением. Сделать выводы.

Контрольные вопросы

1. Электрон, его открытие.

2. Движение электрона в электрическом поле. Сущность метода двух конденсаторов.

3. Движение электрона в магнитном поле при различных взаимных ориентациях векторов индукции магнитного поля и скорости частицы. Метод электронно-лучевой трубки.

4. Сущность спектроскопического метода определения удельный заряда электрона и метода рентгеновских лучей.

Определение параметров потенциальной ямы и потенциала ионизации атома ксенона на основе эффекта рамзауэра

Цель работы: изучение квантовой природы эффекта Рамзауэра. Определение параметров потенциальной ямы атома ксенона, его потенциала ионизации и времени рекомбинации.

Приборы и принадлежности: звуковой генератор ГЗ-33, осциллограф С1-54, вольтметр, микроамперметр, блок включения тиратронов.

Теоретическое введение

При прохождении электронов через газообразные среды их упругие столкновения с атомами приводят к ослаблению электронных пучков. Вероятность упругого столкновения электрона с отдельным атомом характеризуется эффективным сечением рассеяния электронов . Величина эффективного сечения рассеяния входит в закон ослабления интенсивности электронного пучка при прохождении через слой газа:

, (1)

где - интенсивность электронного пучка, падающего на слой газа; - интенсивность электронного пучка, прошедшего через слой газа толщиной ; - число атомов газа в единице объема.

Эффективное сечение рассеяния определяется природой газа, в котором распространяется электронный пучок, и зависит от кинетической энергии электронов E. Для большинства атомов и молекул эффективное сечение рассеяния монотонно убывает по мере увеличения кинетической энергии электронов. Однако для некоторых инертных газов на плавный ход кривой накладывается резкий провал (рисунок 8). В частности, как видно из рисунка 1, при некоторой критической энергии E₀ эффективное сечение рассеяния криптона становится близким к нулю, то есть пучок электронов беспрепятственно проходит через газ. В этом и состоит суть явления Рамзауэра. Объяснение его дано в рамках квантовой механики.

Квантовомеханическое описание эффекта Рамзауэра базируется на следующих рассуждениях. Главным фактором, влияющим на вероятность столкновения, приводящего к рассеянию, является потенциальное поле атома газа. Это поле является суперпозицией полей, созданных ядром и электронами, входящими в состав атома, а также наведенным дипольным моментом, возникающим у атома в результате его взаимодействия с налетающим электроном. Поле наведенного диполя обусловливает добавочное притяжение между электроном и атомом газа, а его наличие является решающим для проявления эффекта Рамзауэра. Результирующее потенциальное поле, воздействующее на электрон, можно приближенно моделировать прямоугольной одномерной потенциальной ямой, имеющей ширину и глубину (рис. 9).

Решения уравнения Шредингера для электрона с энергией во всех трех областях изменения координаты : за пределами потенциальной ямы и внутри нее, являются синусоидальными, и длины волн де Бройля определяются следующими выражениями:

; , (2)

где - масса электрона, - его энергия.

Волновые функции, являющиеся решениями уравнения Шредингера, автоматически учитывают, что в области I происходит интерференция волн де Бройля, отраженных от передней и задней стенок потенциальной ямы. В частном случае, когда , разность хода волн, отраженных от обеих стенок, равна длине волны, и с учетом изменения фазы волны де Бройля на величину при отражении имеем разность хода волн, соответствующую минимуму интерференции волн де Бройля, отраженных от стенок ямы. Это означает, что при условии

(3)

электрон, имеющий энергию , обладает минимальной вероятностью остаться в области пространства I, то есть вероятность рассеяния электрона на атоме, а значит, и эффективное сечение рассеяния минимальны (см. рисунок 8).

Значение эффективного сечения рассеяния (рис. 8), может быть приближенно найдено из условия максимума интерференции волн де Бройля:

. (4)

Значения энергии электрона и , отвечающие соответственно минимальному и максимальному значениям эффективного сечения рассеяния, могут быть определены экспериментально. Тогда из формул (3) и (4) можно определить параметры потенциальной ямы атома газа, используемого в эксперименте:

и . (5)