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

51 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

41052. Культура и цивилизация 407 KB
  История культуры может быть рассмотрена двояко, как процесс и как деятельность. Как процесс она носит объективный характер, подчиняется определенным законам и теснейшим образом связана с социальными структурами и обслуживающими их институтами.
41053. Поняття про речове забезпечення. Значення та завдання речового забезпечення 112 KB
  Природними потребами нормальної життєдіяльності людей є їжа, одяг, паливо, житло. Без відомого мінімуму предметів речового майна неможлива бойова діяльність людей, тому що вони задовольняють життєво важливі потреби особового складу військ і створюють необхідні умови для виконання різноманітних бойових задач.
41054. Номенклатура та класифікація речового майна 104.5 KB
  Найважливішими особливостями післявоєнного етапу розвитку Збройних Сил є якісні зміни в їхній організації і технічному оснащенні, що виникли на основі новітніх досягнень науки і техніки, неухильного розвитку вітчизняної економіки
41055. Організація та завдання речової служби військової частини 111 KB
  Речова служба має велику роль у справі укріплення внутрішнього порядку у частинах, підрозділах. Підтримання статутного внутрішнього порядку – службовий обов’язок всіх категорій посадових осіб, утому числі спеціалістів тилу.
41056. Порядок складання, оформлення та ведення облікових документів 122.5 KB
  Організація обліку матеріальних засобів речової служби у військовій частині. Для студентів спеціальності Організація обєднаного забезпечення в наземних військах та авіації Навчальна та виховна мета: Ознайомити студентів з організацією обліку речового майна у військовій частині. Успішне рішення задач будівництва держави вимагає повсюдного впровадження наукової організації обліку. У рішеннях уряду підкреслюється необхідність поліпшувати систему обліку і звітності...
41057. Порядок зарахування військової частини на речове забезпечення.Витребування речового майна 104 KB
  Речове забезпечення військової частини у мирний час Витребування і отримання речового майна військовою частиноюâ Для студентів спеціальності âОрганізація обєднаного забезпечення в наземних військах та авіаціїâ Навчальна та виховна мета: Розширити та поглибити теоретичні знання студентів з питань зарахування військової частини на речове забезпечення витребування речового майна та отримання його зі складу оперативного...
41058. Вимоги щодо зберігання речового майна 131 KB
  Організація зберігання речового майна у військовій частині. Організація зберігання речового майна у військовій частині. Для студентів спеціальності âОрганізація обєднаного забезпечення в наземних військах та авіаціїâ Навчальна та виховна мета:Ознайомити студентів з загальними вимогами щодо зберігання речового майна у військовій частині.
41059. Право та порядок зарахування військовослужбовців на речове забезпечення 93.5 KB
  Забезпечення речовим майном особового складу військової частини Забезпечення речовим майном військовослужбовців строкової служби та військовослужбовців які проходять службу за контрактомâ Для студентів спеціальності Організація обєднаного забезпечення в наземних військах та...
41060. Порядок забезпечення речовим майном офіцерів, прапорщиків та військовослужбовців жінок 208.5 KB
  Організація речового забезпечення Забезпечення речовим майном особового складу військової частини Забезпечення речовим майном офіцерів прапорщиків та військовослужбовцівжінокâ Для студентів спеціальності âОрганізація обєднаного забезпечення в наземних військах та авіації