Сурков_Желтый лабник. Практикум курса общей физики раздел атомная физика
 Скачать 4.22 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ» ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ КУРСА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ Раздел «АТОМНАЯ ФИЗИКА» Под редакцией В.В. Суркова Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений Москва 2012 УДК 539.1 (076.5) ББК 22.38я7 Л 12 Лабораторный практикум курса общей физики. Раздел «Атомная физи- ка»: Учебное пособие / Под ред. В.В. Суркова. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. – 104 с. Авторы: И.В. Белова (работа 5.17), С.В. Ёлкин (работа 5.18), Н.А. Клячин (ра- боты 5.12, 5.19, 5.20, 5.21), А.Ю. Матрончик (работа 5.16), К.С. Мозгов (работа 5.16), М.В. Пентегова (работы 5.12, 5.19, 5.20, 5.21), С.В. Облизина (работа 5.17), Е.М. Серебрякова (работы 5.12, 5.18), В.В. Сурков (работы 5.19, 5.20, 5.21), Н.И. Швецов-Шиловский (работа 5.18). Данное издание лабораторного практикума содержит описание семи новых лабораторных работ по курсу общей физики, введенных в эксплуатацию в 2010 г. в рамках модернизации лабораторного практикума МИФИ по общей физике. Ра- боты предназначены для студентов НИЯУ МИФИ пятого семестра. Описание других лабораторных работ дано в лабораторном практикуме «Спектры атомов и молекул». Каждая работа начинается с введения, в котором кратко изложены ос- новные понятия и закономерности. Цель практикума – знакомство с методами измерений, применяемыми в атом- ной физике и спектроскопии, а также изучение классических опытов, лежащих в основе квантовой физики. Предназначено для студентов 3-го курса НИЯУ МИФИ. Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ. Рецензент проф. Ю.А. Коровин (ИАТЭ НИЯУ МИФИ) ISBN 978-5-7262-1675-1 © Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2012 С О Д Е Р Ж А Н И Е Работа 5.12. Определение постоянной Планка по коротковолновой границе непрерывного рентгеновского спектра ................................................ 4 Работа 5.16. Эксперименты по физике плазмы и кривые Пашена ........................ 18 Работа 5.17. Дифракция электронов ........................................................................ 30 Работа 5.18. Электронный парамагнитный резонанс ............................................. 41 Работа 5.19. Закон Мозли ......................................................................................... 52 Работа 5.20. Интенсивность характеристического рентгеновского излучения меди .................................................................................... 71 Работа 5.21. Исследование кристаллической структуры монокристалла методом Лауэ ............................................................. 87 4 Работа 5.12 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА ПО КОРОТКОВОЛНОВОЙ ГРАНИЦЕ НЕПРЕРЫВНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО СПЕКТРА Цель: исследование тормозного рентгеновского излучения и оп- ределение постоянной Планка. Оборудование: базовый рентгеновский блок, сменные модули рентгеновских трубок с железным, медным и молибденовым ано- дами, гониометр, счетчик рентгеновского излучения, кристалл- анализатор LiF, персональный компьютер. ВВЕДЕНИЕ В данной работе изучается рентгеновское излучение, которое возникает при бомбардировке быстрыми электронами твердых мишеней. При торможении на атомах мишени электроны движутся с ускорением, что приводит к излучению электромагнитных волн в рентгеновском диапазоне. Такой вид излучения, называемый тор- мозным, обладает непрерывным спектром. На рис. 5.12.1 показана схема устройства рентгеновской трубки. В баллоне с высоким ва- куумом находятся два металлических электрода: катод К и анод А. Катод представляет собой нагреваемую током вольфрамовую спи- раль. Поток электронов создается за счет термоэлектронной эмис- сии с катода. Бомбардируемая электронами мишень одновременно является анодом трубки. Для того чтобы вызвать рентгеновское излучение, напряжение на рентгеновской трубке должно быть по- рядка нескольких десятков киловольт. В зависимости от условий возбуждения рентгеновское излуче- ние может иметь не только непрерывный, но и линейчатый спек- тры. При достаточно большой энергии электронов, кроме тормоз- ного, появляется также характеристическое излучение, вызванное возбуждением внутренних электронных оболочек атомов вещества 5 анода. Характеристическое излучение состоит из отдельных спек- тральных линий, длины волн которых зависят от материала анода. Рис. 5.12.1 Рис. 5.12.2 На рис. 5.12.2 приведены экспериментальные кривые распреде- ления интенсивности тормозного рентгеновского излучения по длинам волн для вольфрамового анода при напряжениях от 25 до 50 кВ (спектральная интенсивность λ dI d показана на рис. 5.12.2 в относительных единицах). Характерной особенностью непрерыв- ного рентгеновского спектра является то, что он имеет резкую гра- ницу со стороны коротких волн. При этом длина волны, соответст- вующая коротковолновой границе, зависит от напряжения на рент- геновской трубке и не зависит от материала анода. При торможении электрона часть его кинетической энергии превращается в энергию одного или нескольких рентгеновских 6 квантов. Если напряжение на рентгеновской трубке U , то макси- мальную частоту кванта max ω можно определить из условия, что энергия кванта max ω меньше кинетической энергии электрона eU , полученной при прохождении промежутка между катодом и ано- дом: max eU ω < , где e – заряд электрона; – постоянная Планка. Таким образом, в тормозном рентгеновском излучении должны быть волны всех частот, меньших максимальной max ω Длина волны коротковолновой границы непрерывного рентге- новского спектра min max 2 2 c c eU π π λ = = ω , (5.12.1) где c – скорость света в вакууме. Измеряя коротковолновую границу непрерывного рентгенов- ского спектра и используя соотношение (5.12.1), можно вычислить постоянную Планка. Определить длину волны коротковолновой границы рентгенов- ского спектра min λ можно по спектральным кривым ( ) λ λ dI d f = при постоянном напряжении на трубке const U = (см. рис. 5.12.2). Однако в случае рентгеновского излучения практически трудно снимать спектральные интенсивности в зависимости от длины вол- ны. Поэтому в работе используется метод «изохромат», который заключается в следующем. Экспериментально снимается зависи- мость интенсивности рентгеновского излучения от напряжения на трубке ( ) I U при постоянной длине волны λ . Серия таких зависи- мостей, называемых изохроматами, показана на рис. 5.12.3. Экстраполируя изохромату к нулевой спектральной интенсив- ности, можно определить граничное напряжение 0 U , при котором изохромата пересечет ось λ. При напряжениях, меньших 0 U , ин- тенсивность излучения с данной длиной волны λ обращается в нуль. Следовательно, граничное напряжение 0 U есть наименьшее напряжение, при котором в рентгеновском спектре имеется излу- чение с длиной волны λ . Таким образом, длина волны λ , для кото- рой снята изохромата, определяет коротковолновую границу не- прерывного рентгеновского спектра, соответствующую напряже- 7 нию 0 U . Поэтому, измерив величины 0 U и λ , можно определить постоянную Планка. Подставляя 0 U в формулу (5.12.1), получаем 0 λ 2π eU c = . (5.12.2) Для снятия изохроматы из сплошного спектра тормозного рент- геновского излучения необходимо выделить монохроматическую составляющую с определенным значением λ и измерить соответ- ствующую спектральную интенсивность. Рис. 5.12.3 Монохроматическое рентгеновское излучение получают с по- мощью дифракции излучения сплошного спектра на монокристал- лах неорганических веществ. Отшлифованный и определенным образом сколотый кристалл можно рассматривать как своеобразную трехмерную дифракцион- ную решетку благодаря пространственной периодичности в распо- ложении атомов. Такие кристаллы являются подходящими ди- фракционными решетками для рентгеновского излучения, по- скольку расстояние между атомами в кристалле порядка несколь- ких ангстрем (1 Å 10 10 − = м), а длина волны рентгеновского излуче- 8 ния, используемого в работе, 0,3 0,5 − Å, т.е. несколько меньше «периода» дифракционной решетки. На рис. 5.12.4 схематически изображены узлы пространственной решетки кристалла. Плоскости, проведенные через узлы простран- ственной решетки, называются кристаллографическими. Пунктир- ные прямые, проведенные на рисунке, являются следами двух сис- тем перпендикулярных кристаллографических плоскостей. Рис. 5.12.4 У.Л. Брэгг и Г.В. Вульф предложили следующую простую ин- терпретацию явления дифракции рентгеновского излучения на кристалле. Если кристалл рассматривать как совокупность парал- лельных кристаллографических плоскостей, то дифракция моно- хроматического рентгеновского излучения, падающего на кри- сталл, возникает в результате отражения излучения от системы этих плоскостей и последующей интерференции отраженных волн. Дифракционные максимумы интенсивности излучения возникают в тех направлениях, для которых разность фаз волн, отраженных со- седними плоскостями, кратна 2 π. В этом случае разность хода лу- чей, отраженных от соседних кристаллических плоскостей, нахо- дящихся на расстоянии d друг от друга, равна сумме длин отрез- ков АВ и ВС на рис. 5.12.4: θ = + = Δ sin 2d BC AB , где θ – угол скольжения, т.е. угол между падающим лучом и кристаллографи- ческой плоскостью. 9 Условие максимума интенсивности монохроматического излу- чения достигается, когда разность хода лучей равна целому числу длин волн: λ m Δ = . Поэтому направления падающих лучей, для которых возникают дифракционные максимумы, определяются ус- ловием Брэгга–Вульфа: 2 sinθ λ d m = , (5.12.3) где d – межплоскостное расстояние; m – порядок дифракционно- го максимума. Из рис. 5.12.4 видно, что направление луча, задающего положе- ние дифракционного максимума, определяется по закону зеркаль- ного отражения от кристаллографической плоскости. Поэтому фак- тически угол между падающим и отраженным лучом равен 2θ Для выделения монохроматического рентгеновского излучения обычно пользуются дифракционными максимумами первого по- рядка ( 1 m = ), полученными в результате дифракции на кристаллах с известными межплоскостными расстояниями. В данной работе используют кристалл LiF со сколом вдоль плоскости с межплоско- стными расстояниями d = 2,014 Å. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Общий вид комплекта используемого оборудования представ- лен на рис. 5.12.5, где слева показаны два сменных блока рентге- новских трубок. Основные узлы установки смонтированы в едином защитном корпусе, показанном на рис. 5.12.6. Установка содержит: блок рентгеновской трубки 1 с фиксатором 10, расположенным на левой боковой поверхности блока; гониометр 2, перемещающий кри- сталл-анализатор 8 и детектор излучения 9, которым является счет- чик Гейгера; панель управления 3; защитный корпус 4, где разме- щены блок питания и интерфейс для связи с компьютером; сколь- зящую дверь с фиксатором 5, перекрывающую доступ в зону рент- геновского излучения; индикатор режима работы рентгеновской трубки 6; клавишу включения 7, расположенную на задней стенке прибора. 10 Рис. 5.12.5 Рис. 5.12.6 11 Режим работы рентгеновской трубки и гониометра может уста- навливаться либо вручную с панели управления, либо программно. В данной работе используется программный способ задания вы- бранных режимов. Рис. 5.12.7 Для спектрального анализа рентгеновского излучения в данной работе использован метод вращающегося кристалла, реализация которого показана на рис. 5.12.7. Диафрагма с отверстием диамет- ром 1 мм выделяет узкий пучок излучения рентгеновской трубки 1, направляемого на кристалл LiF8. Угол скольжения θ изменяется при вращении кристалла вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка. Спектральная составляющая рентгеновского излучения с длиной волны λ , для которой выполняется условие (5.12.3), попа- дает в счетчик Гейгера 9,расположенный под углом 2 θ по отно- шению к исходному лучу. Для обеспечения требуемой геометрии в течение всего эксперимента гониометр 2 одновременно разворачи- вает кристалл-анализатор 8 на угол θ , а счетчик 9 – на угол 2 θ . Сигнал со счетчика поступает в компьютер, который определяет интенсивность рентгеновского излучения R. Используемая установка дает возможность задавать различные углы кристалла-анализатора (и, соответственно, детектора) и изме- нять напряжение на аноде в диапазоне от 0 до 35 кВ. 12 ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ При работе с рентгеновской установкой необходимо соблюдать следующие правила. 1. При входе в лабораторию надеть белый халат. 2. Ознакомиться с оборудованием, приборами и принадлежно- стями в соответствии с разделами «Описание установки и порядок выполнения работы» и «Задания» данного пособия. 3. Если на лабораторном столе имеются дополнительные инст- рукции, то необходимо их тщательно изучить. 4. Приступать к работе на установках с источниками ионизи- рующего излучения можно только после проверки преподавателем необходимой подготовки студента и получения устного допуска к выполнению работы. 5. Включать базовый рентгеновский блок и персональный ком- пьютер только в присутствии преподавателя или дежурного со- трудника. 6. Замену сменных модулей рентгеновских трубок производить только в присутствии преподавателя или дежурного сотрудника при выключенном рентгеновском блоке. 7. Внимание! Немедленно прекратить выполнение работы, отойти от установки и подозвать дежурного преподавателя или со- трудника при обнаружении в процессе работы: • отклонений от штатных режимов работы установки, подроб- но указанных в разделе «Задания»; • срабатывания защитной сигнализации и блокировок; • нарушения целостности корпуса базового рентгеновского блока; • других неисправностей (искрения, повышенной вибрации, нестандартного шума от установки). 8. По окончании работы выключить рентгеновский аппарат и компьютер, повесить халат и тщательно вымыть руки. Внимание! Запрещается следующее. 1. Входить в лабораторию в верхней одежде, вносить пищевые продукты, есть, пить, курить, применять косметику. 2. Ставить на рабочие столы сумки, портфели, класть личные вещи. 3. Покидать рабочее место во время проведения эксперимента. 13 4. Нарушать пломбы, печати, заграждения. 5. Передвигать базовый блок и персональный компьютер. 6. Допускать отклонения от режимов работы, указанных в раз- деле «Задания». 7. Оставлять счетчик рентгеновского излучения в прямом пучке рентгеновской трубки в течение более двух минут. ЗАДАНИЯ Задание 1. Подготовка установки к измерениям 1. Собрать установку для проведения эксперимента: • установить сменный модуль с любой рентгеновской трубкой; • убедиться, что кристалл LiFнаходится в специальном держа- теле на гониометре; • удостовериться, что гониометр и счетчик излучения подсоеди- нены к соответствующим гнездам в экспериментальной установке; • включить рентгеновскую установку на прогрев, нажав кла- вишу 7 на задней стенке прибора. При этом на панели контроля загорится индикатор «man», указывающий на возможность ручного введения рабочих параметров трубки; • дважды нажать на красный фиксатор 5 (см. рис. 5.12.6), запи- рающий скользящую дверь в зону рентгеновского излучения. 2. Включить и подготовить компьютер к работе: • выбрать имя пользователя «User»; • на рабочем столе компьютера выбрать окно «m»(measure). 3. Активизировать красную кнопку « ● » – «Запись нового изме- рения», расположенную в левом углу верхней панели задач. После того, как на цифровом дисплее и на панели контроля рентгеновско- го блока засветится сигнал «PC»– «Персональный компьютер» (ПК), а на экране монитора появится диалоговое окно, представ- ленное на рис. 5.12.8, с клавиатуры ПК ввести параметры экспери- мента, указанные на этом рисунке. Затем, убедившись, что уста- новленные параметры соответствуют требуемым, нажать клавишу «Далее». При этом кристалл-анализатор и счетчик Гейгера устанавлива- ются в заданные начальные положения, а на мониторе появится 14 окно с клавишей «Начать измерение» и окна (рис. 5.12.9, 5.12.10), отображающие в процессе измерений: • геометрию эксперимента (см. рис. 5.12.9); • текущий угол поворота кристалла (угол скольжения) 9 θ = (см. рис. 5.12.10); • текущий угол поворота детектора рентгеновского излучения 2 18 θ = ; • величину анодного напряжения (35 kV); • ток эмиссии (1 mA); • скорость счета (интенсивность излучения) R в имп./с; • поле для графической визуализации зависимости интенсив- ности рентгеновского излучения R от угла скольжения θ в вы- бранном диапазоне углов (в данной работе угол зафиксирован). Рис. 5.12.8 15 Рис. 5.12.9 Перед началом измерений необходимо убедиться, что держатель с кристаллом LiF и детектор в рентгеновской камере находятся на исходных позициях, что соответствует их расположению, схемати- чески показанному на рис. 5.12.9. Задание 2. Исследование тормозного рентгеновского излучения 4. Измерить интенсивность излучения Rрентгеновской трубки для угла скольжения 9 θ = ° для напряжения на аноде 35 U = kV (рис. 5.12.10). Для этого нажать клавишу «Начать измерение», по- сле чего на ее месте появится надпись «Пауза». При этом рентге- новская трубка начинает светиться. По окончании времени измерения нажать клавишу «Закончить измерение |