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

70841. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА 256 KB
  Цель работы: изучить в различных режимах работу однофазного трансформатора и рассчитать величины характеризующих трансформатор параметров. Применение наборных сердечников уменьшает величину индукционных вихревых токов возникающих в них что увеличивает КПД трансформатора.
70842. Модемы и модемные соединения 83 KB
  Среда передачи данных совокупность линий передачи данных и блоков взаимодействия т. сетевого оборудования не входящего в станции данных предназначенных для передачи данных между станциями данных. Среды передачи данных могут быть общего пользования или выделенными для конкретного пользователя.
70843. ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С АКТИВНЫМИ И ИНДУКТИВНЫМИ СОПРОТИВЛЕНИЯМИ 217 KB
  В работе необходимо последовательно произвести измерения параметров двух различных схем рисунки 43. Физическое обоснование эксперимента Прежде чем приступить к выполнению работы необходимо ознакомиться с главами Переменный электрический ток Построение векторных диаграмм...
70845. СТАНДАРТНАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ С МНОГОКРАТНЫМИ НАБЛЮДЕНИЯМИ 504 KB
  Получение навыков стандартной обработки результатов наблюдений оценивания погрешностей и представления результатов измерений в этом случае. После получения результатов наблюдений полученные данные обрабатывают при этом могут быть использованы различные процедуры.
70846. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ОДНОКРАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ НАЛИЧИИ СИСТЕМАТИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ 375 KB
  Получение навыков обнаружения и устранения влияния систематических погрешностей на результаты прямых однократных измерений. Ознакомиться с понятием погрешности средства измерений. Ознакомиться с понятием погрешности результата измерений.
70847. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ С МНОГОКРАТНЫМИ НАБЛЮДЕНИЯМИ ПРИ НАЛИЧИИ ГРУБЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 444 KB
  Ознакомление с методикой выполнения прямых измерений с многократными наблюдениями при наличии грубых погрешностей выбросов. Получение навыков обработки результатов наблюдений и оценивания погрешностей результатов измерений. Ознакомиться с видами и методами измерений.
70848. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ СЕРИИ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ С МНОГОКРАТНЫМИ НАБЛЮДЕНИЯМИ 418.5 KB
  Ознакомление с методикой обработки и представления результатов измерений для группы равнорассеянных многократных наблюдений. Получение навыков обработки результатов наблюдений и оценивания погрешностей результатов измерений. Ознакомиться с видами и методами измерений.
70849. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ЦИФРОВОГО ВОЛЬТМЕТРА МЕТОДОМ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ 237.5 KB
  Получение навыков проведения метрологических работ в процессе определения контроля погрешности цифрового вольтметра методом прямых измерений. Ознакомьтесь с принципом действия устройством и характеристиками цифрового вольтметра.