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

52 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

59527. Літературний сценарій дитячого новорічного свята: “Новорічні пригоди” 88.5 KB
  На сцену підстрибуючи підкрадається Баба Яга і Капосник. Прослухавши Глашатаїв вони починають прозиватись дражнитись і кидати шишками в Глашатаїв Глашатай І: Ой що це Глашатай ІІ: Що відбувається Баба Яга...
59528. Хто не бачив наші гори - не бачив Карпати, завітайте до нас в гості раді Вас вітати 122.5 KB
  Мета: Ознайомити учнів з історією рідного краю, її традиціями, виховувати в них національну свідомість, виховувати любов до рідної землі. Обладнання: грамзаписи, трембіти, вишиті рушники, хліб.
59529. Сценарій свята. Міс Весна 91.5 KB
  Приміщення прикрашене гірляндами із квітів, кольоровими стрічками, рожевими, червоними та білими повітряними кульками. Стільці для глядачів розставлені по периметру залу.
59530. Сценарій. Моя барвиста Україна (свято в 6 класі) 40.5 KB
  А хто переможе в нашій конкурсній програмі визначатиме досвідчене й уважне журі. Перший конкурс програми має назву Подорож містами України. Ведучі проводять перший конкурс. Конкурс Подорож містами України Обом командам роздають карти...
59531. Доброта починається з дитинства (позакласний захід) 48 KB
  Мета: формувати в учнів ціннісну орієнтацію, здатність формулювати моральні судження, розвивати вміння відрізняти погане від доброго, виховувати позитивне світосприйняття.
59532. Покрова - свято козацьке: година духовності 48 KB
  Проводиться 14 жовтня у День памяті УПА Образ Покрови Пресвятої Богородиці у вишитому рушнику виставка книжок про святі місця в Україні Почаїв Зарваницю та ін. Шість разів у році наша церква урочисто відзначає свята на честь Діви Марії: 8 січня Собор Пресвятої Богородиці...
59533. Голодомор 1932-1933 років в Україні – геноцид українського народу 67.5 KB
  Мета: виховувати в учнів особистісні риси громадянина України, патріотизм на основі особистісного усвідомлення досвіду історії.
59534. Благословен той день і час, коли прослалась килимами земля, яку сходив Тарас... (перебування Шевченка на Тернопільщині) 88.5 KB
  Шевченко ділиться враженнями про Тернопільщину зробити огляд творів сучасних поетів Тернопільщини присвячених Кобзареві; прищеплювати любов і повагу до Т. Шевченко репродукції акварелей зроблених Кобзарем у Почаєві збірки народних пісень...