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

53 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

75997. Вивчи Правила, знай і завжди їх пам’ятай 2.77 MB
  Ми завітаємо в гості до казки де зустрінемося з Дідусем Правила Руху Казкою живими Дорожніми знаками Бабою Ягою і навіть зі славнозвісним Світлофором Івановичем. Знаки треба розставити вчасно І розмітку накреслити ясно Світлофори усі засвітити А у горах тунелі пробити...
75998. Безпечний перехід вулиці 840.5 KB
  Мета. Ознайомити учнів з місцями, де можна переходити вулицю; як безпечно переходити проїжджу частину дороги; які знаки, прилади, лінії допомагають безпечному переходу; вчити практично визначати безпечні місця переходу вулиці на шляху додому...
75999. Перехрестя долі Кобзаря. Літературно-музичний вечір для учнів 5 – 8 класів 100.5 KB
  Мета: вшанувати великого Кобзаря, поглибити знання учнів про тяжку долю Шевченка та українського народу; розвивати творчі здібності учнів, артистичність; виховувати любов і повагу до спадщини, яку нам залишив поет, учити учнів наслідувати Т.Шевченка та виконувати його заповіти.
76000. Письмовий переказ «Допоможи птахам» 45.5 KB
  Мета: вчити виявляти зміни що сталися у неживій природіу житті птахів удосконалювати навички чітко і повно відповідати на запитання; розвивати спостережливість вміння передавати свої враження від навколишнього; виховувати у дітей дбайливе ставлення до птахів бажання допомагати їм.
76001. «Від серця до серця» (66 років Великої Перемоги) 185.5 KB
  Мета: розширити знання учнів про мистецький доробок творчої плеяди Донбасу з теми визволення рідного краю від німецько-фашистських загарбників; сприяти формуванню соціальної компетентності учнів; формувати навички використання отриманих знань в реальних життєвих ситуаціях...
76003. «Брейн-ринг» присвячений 64-й річниці Перемоги у Великій Вітчизняній війні 44 KB
  У грі беруть участь команди 8-11 класів у складі 4-5 чоловік. Кожна команда сидить за своїм столом. Команди отримують папірці, які необхідно завчасно підписати (вказати назву своєї команди) до початку гри.
76004. Шлях до Перемоги (визволення Миколаївщини від німецько-фашистських загарбників) 76.5 KB
  Мета: познайомити учнів з історією визволення Миколаївщини в 1944 році від німецько-фашистських загарбників; закріпити навички аналізу і зіставлення історичного матеріалу; сприяти вихованню поваги до минулого рідного краю та почуття патріотизму, самовіданному служінню інтересам народу України.
76005. Мы не забудем! 43 KB
  Цель: обобщить и систематизировать знания учащихся по теме Украина в годы Второй Мировой и Великой Отечественной войн (1939-1945) расширить знания о событиях Великой Отечественной войны учеников среднего звена...