2523

Эффект Рамзауэра

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: познакомиться с сутью эффекта Рамзауэра, изучить рассеяние электронов на атомах ксенона и определить глубину и ширину потенциальной ямы.

Русский

2013-01-06

145.76 KB

49 чел.

Белорусский Государственный Университет

Факультет Радиофизики и Электроники

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 4

Эффект Рамзауэра

Выполнила студентка

3 курса 8 группы

Максимова П.Д.

МИНСК 2009

Цель работы: познакомиться с сутью эффекта Рамзауэра; изучить рассеяние электронов на атомах ксенона и определить глубину и ширину «потенциальной ямы».

ТЕОРИЯ МЕТОДА

Будем пользоваться формулами расчета глубины U0 и ширины 2а потенциальной ямы:

   , .

ЭФФЕКТ РАМЗАУЭРА

Если электрон пролетает на некотором расстоянии от атома, то кулоновские силы приводят к его отклонению от первоначального направления, при этом с уменьшением скорости (энергии) электрона величина отклонения будет возрастать, так как медленные электроны дольше находятся вблизи атома, что приводит к более эффективному их взаимодействию. При прохождении пучка электронов через газ пучок будет рассеиваться, причем для большинства атомов и молекул эффективное сечение рассеяния  (отношение потока рассеянных частиц к плотности потока падающих), как и должно быть по классическим представлениям, монотонно убывает с увеличением энергии электронов в пучке (см. пунктирную кривую на рис. 1 для атомов водорода).

Р и с. 1

Однако для некоторых инертных газов (например, для криптона) на этот плавный ход накладывается резкий провал. При некоторой критической энергии Е' рассеяние практически исчезает, вследствие чего электроны проходят через газ почти беспрепятственно. В этом и заключается эффект Рамзауэра (1921), который резко противоречит классической теории рассеяния. Для объяснения этого эффекта потребовалось привлечение квантовой теории.

При прохождении электрона вблизи атома происходит его сложное взаимодействие с ядром и электронами, входящими в состав атома. В итоге этот процесс можно рассматривать как движение электрона в области потенциальной ямы, приведенной на рис.2 вместе с изображением атома-мишени. В рамках одномерного случая, рассмотренного в предыдущем разделе, эффект Рамзауэра можно довольно просто объяснить как следствие погашения отраженной (в трехмерном случае – рассеянной) волны при выполнении условия .

Напомним, что потенциальная яма – короткодействующий потенциал взаимодействия частиц, отвечающий их притяжению. Термин «потенциальная яма» происходит от вида графика, изображающего зависимость потенциальной энергии U частицы в силовом поле от ее положения в пространстве (в случае одномерного движения – от координаты х). Характеристиками потенциальной ямы являются ее ширина 2а (расстояние, на котором проявляется действие сил притяжения) и глубина U0, равная разности между значением потенциальной энергии на бесконечно большом расстоянии (обычно принимаемым за нуль) и ее минимальным значением внутри ямы.

Р и с. 2

Следует отметить, что потенциальные ямы реальных атомов имеют не отвесные, а пологие стенки. Поэтому модель прямоугольной потенциальной ямы оказывается достаточно хорошим приближением не для всех атомов, а лишь для инертных газов, отличающихся наиболее компактной структурой и резкой внешней границей. Кроме того, у легких инертных газов, таких как гелий и неон, эффект Рамзауэра не наблюдается, так как у этих атомов соотношение ширины и глубины потенциальной ямы недостаточно, чтобы можно было выполнить соотношение . По указанным причинам эффект Рамзауэра наиболее сильно выражен у ксенона.

Следует также отметить, что приведенное рассмотрение эффекта Рамзауэра упрощенно. Более адекватно существо явления отражает модель трехмерной потенциальной ямы, однако точное квантовомеханическое рассмотрение такой задачи является достаточно сложным. И тем не менее одномерная модель позволяет выяснить основные черты эффекта и получить приближенные количественные соотношения.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА РАМЗАУЭРА С ПОМОЩЬЮ ТИРАТРОНА

В данной работе эффект Рамзауэра исследуется с помощью тиратрона ТГЗ-0,1/1,3, наполненного ксеноном при низком давлении. Геометрия электродов и их расположение приведены на рис. 3.

Между катодом К и анодом А расположены две сетки C в виде пластин с прорезями, параллельными катоду и аноду. Если обе сетки соединить, и между ними и катодом приложить ускоряющее напряжение, которое регулируется потенциометром R1 и измеряется вольтметром V (рис. 4), то ускоренные электроны после прохождения первой сетки будут двигаться с постоянной скоростью до второй сетки и попадут на анод. На своем пути электроны претерпевают упругие столкновения с атомами ксенона. Чем больше рассеяние, тем меньше анодный ток (измеряемый микроамперметром A), поскольку рассеянные электроны попадают на сетки и поглощаются ими.

Изменяя ускоряющее напряжение, можно построить вольтамперную характеристику тиратрона (зависимость анодного тока от ускоряющего напряжения), подобную изображенной на рис. 5. Очевидно, эта характеристика представляет собой обращенную зависимость эффективного сечения рассеяния электронов от их энергии (см. рис. 1), т. е. максимум анодного тока при энергии соответствует Рамзауэровской прозрачности ксенона, а минимум анодного тока при – максимальному рассеянию. Крутой излом при увеличении напряжения свыше связан с началом ионизации атомов электронными ударами.

  

     E'

  E"

Р и с. 5

Ход работы

U, B

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

I дел

4

20

36

48

52

52

50

46

42

U, B

2

2,2

2,4

2,6

2,8

3

3,2

3,4

3,6

I дел

40

36

32

30

28

27

26

25

24

U, B

3,8

4

4,2

4,4

4,6

4,8

5

5,2

5,4

I дел

23

22

22

22

22

24

24

24

26

U, B

5,6

5,8

6

6,2

6,4

6,6

6,8

7

I дел

26

27

28

28

30

32

34

36

ВАХ

0

10

20

30

40

50

60

0,2

0,8

1,4

2

2,6

3,2

3,8

4,4

5

5,6

6,2

6,8

U,B

I, дел

     =e·Umin= 1,1·e; =e·Umax= 4,3·e;

Глубина потенциальной ямы эВ;

Ширина потенциальной ямы ;

Вывод: Если электрон пролетает на некотором расстоянии от атома, то кулоновские силы приводят к его отклонению от первоначального направления, при этом с уменьшением скорости (энергии) электрона величина отклонения будет возрастать, так как медленные электроны дольше находятся вблизи атома, что приводит к более эффективному их взаимодействию. Эффект Рамзауэра можно довольно просто объяснить как следствие погашения отраженной (в трехмерном случае – рассеянной) волны при выполнении условия .


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79029. Знания и познание (преднаука) в архаических культурах и ранних цивилизациях 34 KB
  Знания и познание преднаука в архаических культурах и ранних цивилизациях Науке как таковой предшествует преднаука доклассический этап где зарождаются элементы предпосылки науки. Именно этот период чаще всего считают началом исходным пунктом естествознания и науки в целом как систематического исследования реальной действительности. Знания существовали в религиозномистической форме и поэтому были доступны только жрецам которые могут читать священные книги и как носители практических знаний иметь власть над людьми. Жрецы накапливают...
79030. Отопление и вентиляция жилого дома 821.84 KB
  Исходные данные для проектирования систем приведены в задании на проектирование. Район постройки  г. Гомель. Ориентация главного фасада здания – на Север. Чердак –холодный. Нагревательные приборы – радиаторы типа MС - 90 - 108
79031. Ррозробка корпоративного стилю та бренд-буку для кавової корпорації «Кому ні кава» за допомогою комп’ютерних графічних програм 6.1 MB
  Ескізне проектування і розробка основних графічних констант корпорації: знак, логотип, корпоративні кольори, шрифтові блоки. Пошук вдалого вирішення форми і кольору. Розробка ділової документації та рекламно-іміджевих елементів, з використанням основних графічних констант.
79032. Держава Павла Скоропадського 118.5 KB
  Незадоволення бідняцьких верств селянства, становище яких в умовах окупації різко погіршилося, виявлялося в партизанському русі, що поширювався. Послаблення державних інститутів, які Центральна Рада прагнула будувати демократичним шляхом, призводило до повсюдного хаосу і безладдя. Чим далі, тим більше центральний уряд не міг контролювати становище на місцях.
79033. Преднаука и философия познания в Средние века 34 KB
  Интерес для нас представляет личность Мухаммеда ибнМусы алХорезми 780850 автора нескольких сочинений по математике которые в XII в. Через его Арифметику европейцы познакомились с десятичной системой счисления и правилами алгоритмами от имени алХорезми выполнения четырех действий над числами записанными по этой системе. АлХорезми была написана Книга об алджебр и алмукабала целью которой было обучить искусству решений уравнений необходимых в случаях наследования раздела имущества торговли при измерении земель проведении...
79034. Эпоха Возрождения как канун становления классической науки 40 KB
  В городах стали возникать светские центры науки и искусства деятельность которых находилась вне контроля церкви. В формировании мышления этой эпохи огромное влияние сыграло наследие античной науки. Особенности науки эпохи Возрождения: антисхоластическая направленность взглядов и сочинений мыслителей этого времени; 2 создание новой пантеистичекой картины мира отождествляющей Бога и природу; 3 антропоцентризм то есть интерес в первую очередь к человеку и его деятельности философии.
79035. Мировоззренческие понятия пантеизма и деизма и их значение для становления научной картины мира (в философии Н.Кузанского, Д.Бруно, Б.Спинозы и французских просветителей 18-го века) 43.5 KB
  Николай Кузанский внёс вклад в развитие представлений, прокладывавших дорогу натурфилософии и пантеистическим тенденциям XVI в. В отличие от современных ему итальянских гуманистов
79036. Философия познания Ф.Бэкона и ее значение для превращения преднауки в науку 42 KB
  Родоначальником нового подхода к науке является знаменитый английский политический деятель философматериалист и один из основоположников науки Фрэнсис Бэкон 1561 1626. Бэкон дал философское обоснование нового взгляда на цель и предназначение науки разработал основные принципы индуктивного метода исследования. Бэконовский афоризм Знание сила в течение трех веков является символом науки. Бэкон предпринимает Великое восстановление наук в книге оставшейся не законченной и фиксирует возникновение науки как триединого целого система...
79037. Философия познания Р.Декарта и ее значение для превращения преднауки в науку 35 KB
  В основе философии Декарта дуализм души и тела мыслящей и протяженной субстанции. Общая причина движения по Декарту Бог который сотворил материю движение и покой. В учении о познании Декарт родоначальник рационализма и сторонник учения о врожденных идеях.