Сурков_Желтый лабник. Практикум курса общей физики раздел атомная физика
 Скачать 4.22 Mb.
|
5. Определить значение интенсивности излучения R, для чего активизировать опцию «Таблица данных» (кнопка располо- жена на верхней панели). 6. Выполнить аналогичные измерения интенсивности излучения R(U) для угла 9 θ = ° при других напряжениях на аноде, уменьшая напряжение на 5 kV до достижения интенсивности излучения 0 R = . Грубо определяем 0 U 7. Для более точного определения величины 0 U снять зависи- мость интенсивности излучения от напряжения на трубке, начиная 16 с напряжения на 7 kV большего, чем полученное в предыдущем пункте, и постепенно понижая его до значения 0 R = . Произвести не менее шести измерений через 0,5 kV. Рис. 5.12.10 8. Используя метод, описанный в пп. 3–7, провести измерения зависимости интенсивности излучения от напряжения на трубке для длин волн, отвечающих углам 10 θ = ° и 11 ° ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ 1. Построить экспериментальные зависимости интенсивности от напряжения (изохроматы) для длин волн, определяемых углами 9 θ = ° , 10° и 11 ° 2. Используя построенные графики, определить граничные на- пряжения при помощи экстраполяции кривых к нулю. 3. Пользуясь формулой Брэгга–Вульфа (5.12.3), рассчитать дли- ны волн, соответствующие заданным углам θ . 4. Вычислить постоянную Планка по формуле (5.12.2) и опреде- лить погрешность измерений. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ 1. В разделе «Заключение» кратко изложите содержание и ос- новные результаты работы. 17 2. Сравните полученное значение постоянной Планка с таблич- ным. При несовпадении результатов укажите возможные причины расхождения. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Опишите механизм возникновения тормозного рентгеновско- го излучения. 2. Почему коротковолновая граница рентгеновского спектра не зависит от материала анода? 3. Почему для дифракции рентгеновского излучения используют кристаллы? 4. При каком условии возникают дифракционные максимумы в рассеянном рентгеновском излучении? 5. Сформулируйте основные этапы выполнения лабораторной работы. 6. Почему в работе используется метод «изохромат»? В чем за- ключается этот метод? 7. Каким образом из непрерывного рентгеновского спектра вы- деляют монохроматическую составляющую с длиной волны λ ? 8. Какие виды рентгеновского излучения вы знаете, чем они различаются? 9. Перечислите основные источники погрешностей в данной работе. 10. Что необходимо предпринять в случае нештатной работы оборудования? ЛИТЕРАТУРА Основная 1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. М.: Астрель, 2005. 2. Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика. В 2-х ч. Ч. 1. Атом- ная физика. М.: Наука, 1986. 3. Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2005. Дополнительная 1. Матвеев А.Н. Атомная физика. М.: Высшая школа, 1989. 18 Работа 5.16 ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ФИЗИКЕ ПЛАЗМЫ И КРИВЫЕ ПАШЕНА Цель: измерение зависимость напряжения газового разряда и пробоя между плоскопараллельными электродами от электродно- го расстояния при различных значениях давления газа в диапазоне нескольких гигапаскаль. Оборудование: источник питания для раздела «Физика плаз- мы»; экспериментальная установка для раздела «Физика плазмы»; цифровой мультиметр с регулированием пиков; насос вакуумный, одноступенчатый; масляный фильтр; вакуумный шланг; регулиро- вочный клапан, прецизионный, для толстостенных бутылок; при- бор для измерения давления; переходник, T-образный; безопасный соединительный шнур, 32 A, красный; безопасный соединительный шнур, 32 A, синий. ВВЕДЕНИЕ Явления и процессы, связанные с протеканием электрического тока через газ, называют газовым разрядом. Еще Кулон экспери- ментально доказал, что электрический заряд стекает с заряженного металлического тела через воздух, а не через изолированную под- ставку. Фарадей исследовал тлеющий разряд при низких давлениях воздуха (около 1 гПа = 10 2 Па). Дальнейшие исследования поведе- ния газового разряда в электромагнитных полях привели к откры- тию 30 апреля 1897 г. первой элементарной частицы – электрона. В этот день Джозеф Джон Томсон сделал историческое сообщение «Катодные лучи» в Королевском институте Великобритании, в ко- тором объявил, что его многолетние исследования электрического разряда в газе при низком давлении завершились выяснением при- роды катодных лучей. Поместив газоразрядную трубку в скрещен- ные магнитное и электрическое поля, он по наблюдению компен- сирующего эффекта этих полей надежно определил удельный за- 19 ряд частиц, поток которых и составлял катодные лучи. Дальнейшие исследования физики газового разряда во многом послужили экс- периментальной основой атомной и квантовой физики. Основате- лем физики газового разряда является ученик Томсона – Таунсенд, создавший в начале XX в. теорию пробоя газа и установивший за- кономерности ионизации. Газовые разряды в постоянном электрическом поле разделяют на несамостоятельные и самостоятельные. При нормальных усло- виях газы состоят, в основном, из нейтральных атомов и молекул, и поэтому не проводят электрический ток. Только ионизованные га- зы, содержащие свободные электрические заряды, т.е. положитель- ные и отрицательные ионы и электроны, могут быть проводниками тока. Ионы и электроны в газах возникают в результате действия различных внешних факторов: ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей, гамма-квантов, нейтронов, космических из- лучений, радиоактивных загрязнений, столкновений атомов с элек- тронами и другими частицами, энергия которых превышает энер- гию ионизации атомов газа. Энергия ионизации i E – минимальная энергия, необходимая для удаления одного электрона из нейтраль- ного атома или молекулы. Разность потенциалов, которую должен пройти электрон, чтобы приобрести энергию ионизации, называет- ся потенциалом ионизации i i E e ϕ = , где e – элементарный заряд. При прекращении действия этих внешних факторов электрический ток исчезает. Такой разряд называется несамостоятельным. Ти- пичная зависимость электрического тока в газовом промежутке между электродами от напряжения представлена на рис. 5.16.1. С ростом напряжения на газовом промежутке ток сначала воз- растает, а потом достигает насыщения, что соответствует полному вытягиванию на электроды ионов и электронов, создаваемых раз- личными факторами. При этом электрическое поле между электро- дами остается слабым. С дальнейшим ростом напряжения ток сно- ва начинает медленно возрастать. Это означает, что электроны за период между двумя последовательными столкновениями с моле- кулами набирают такую кинетическую энергию, что ударная иони- зация молекул приводит к рождению вторичных ионов и электро- нов. В результате возникают и развиваются электронные лавины, представляющие собой ток первичных (от внешних ионизаторов) и 20 огромного числа вторичных электронов. Образование лавин зави- сит от давления газа и энергии ионизации молекул. Энергия иони- зации молекулы азота составляет 14,5 эВ, энергия ионизации моле- кулы кислорода – 12,5 эВ. Газовый разряд остается несамостоя- тельным. Рис. 5.16.1 Однако в сильном электрическом поле происходит скачкообраз- ное увеличение тока – возникает электрический пробой. Соответ- ствующее напряжение на газовом промежутке называется напря- жением пробоя. Если после возникновения пробоя убрать внешние факторы, приводящие к ионизации молекул, то разряд не прекра- щается и переходит в режим самостоятельного разряда, так как те- перь ионизация поддерживается процессами в самом разряде. Первая модель перехода несамостоятельного разряда в само- стоятельный была предложена Таунсендом. Введем коэффициент объемной ионизации α , численно равный среднему количеству электрон-ионных пар, образуемых одним электроном на единице длины пути. Этот коэффициент зависит от давления p и от напря- женности электрического поля E . Рассмотрим упрощенную мо- дель ионизации молекул в газовом промежутке между двумя пло- скими электродами: катодом и анодом (рис. 5.16.2). В упрощенной модели рассматриваются только электроны и однозарядные поло- жительные ионы малых концентраций. 21 Рис. 5.16.2 На расстоянии x от катода в слое толщины dx один электрон создает αdx электрон - ионных пар. Если со стороны катода в этот слой втекает электронный поток e I , то в слое он возрастает на ве- личину α e e dI I dx = . Интегрирование этого уравнения в предполо- жении, что α не зависит от x (справедливо для малых токов), дает ( ) ( ) α 0 x e e I x I e = , где ( ) 0 e I – электронный поток, втекающий с катода в газовый промежуток. Видно, что электронный поток на аноде возрастает в α d e раз, где d – межэлектродное расстояние. Это режим размно- жения электрон-ионных пар вследствие развития электронных ла- вин. Поток электронов e I направлен от катода к аноду, а поток ионов i I имеет противоположное направление от анода к катоду. Если между катодом и анодом нет объемных зарядов, то электри- ческий ток через любое поперечное сечение разряда с координатой x один и тот же и складывается из тока электронов ( ) ( ) e e I x − и тока положительных ионов ( ) ( ) i e I x − . Тогда электрический ток на аноде, состоящий только из тока электронов, будет равен электри- i I 0 dx x x d Катод Анод e I 22 ческому току на катоде ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 0 const e i e e I d e I e I − = − + − = Откуда получим: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) α 0 0 0 1 d i e e e I I d I I e = − = − . (5.16.1) Теперь предположим, что каждый пришедший на катод ион вы- бивает из катода в среднем γ вторичных электронов ( γ = 10 –1 10 –3 – коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии). То- гда полный электронный поток из катода будет складываться из потока, образуемого внешними факторами 1 I , и потока вторичных электронов: ( ) ( ) 1 0 γ 0 e i I I I = + . Подставляя сюда соотношение (5.16.1) и решая последнее уравнение относительно ( ) 0 e I , найдем электрический ток через газовый промежуток, равный току элек- тронов через анод ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) α α 1 α 0 1 γ 1 d d e e d I e e I d e I e e e − = − = − − − Электрический ток зависит от коэффициентов α и γ . С ростом напряженности электрического поля эти коэффициенты растут (так как увеличиваются скорости электронов и ионов), и ток возрастает. При достижении некоторого значения напряженности электриче- ского поля знаменатель этого выражения стремится к нулю, а ток стремится к бесконечности при сколь угодно малом значении 1 I (почти при отсутствии внешних факторов). Происходит переход от несамостоятельного разряда к самостоятельному – наступает про- бой. Условие пробоя (критерий Таунсенда) имеет вид ( ) α γ 1 1 d e − = . (5.16.2) Минимальное напряжение на газовом промежутке, приводящее к пробою, называется пробивным пр U . Соответствующая минималь- ная напряженность однородного электрического поля называется пробивной напряженностью пр пр E U d = Исследуем зависимость коэффициента объемной ионизации α от пробивной напряженности пр E и давления газа p . Рассмотрим электрон, который начал двигаться с нулевой начальной скоростью 23 в электрическом поле пр E вдоль оси x . Тогда вероятность того, что электрон пройдет путь x без столкновений, будет равна ( ) exp x l − , где l – средняя длина пробега электрона от одного столкновения с атомом до следующего столкновения. Будем счи- тать, что на этом же пути x в электрическом поле электрон , не ис- пытывающий столкновений, приобретает энергию, достаточную для ионизации атома, т.е. пр i xE = ϕ . На единице длины пути элек- трон испытывает 1 l столкновений с атомами, а поэтому число ионизаций, производимое на этой длине одним электроном, будет равно коэффициенту объемной ионизации ( ) ( ) ( ) пр 1 exp i l E l α = −ϕ Длина пробега электрона при постоянной температуре обратно пропорциональна давлению газа: ( ) 1 l Ap = , где A – газовая по- стоянная. Отсюда следует, что отношение коэффициента объемной ионизации к давлению газа зависит от отношения пробивной на- пряженности к давлению газа: пр exp B A p E p ⎛ ⎞ α = − ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ , (5.16.3) где A и B – газовые постоянные, получаемые путем измерения. Экспериментальные значения A и B представлены в табл. 5.16.1. Таблица 5.16.1 Газ A, (Па м) –1 B, В(Па м) –1 Воздух 20 487 CO 2 27 621 H 2 7 173 N 2 13 413 He 4 45 Ar 16 240 24 Исключая α из уравнений (5.16.2) и (5.16.3) , получаем пробивное напряжение ( ) пр пр ln ln 1 1 γ Bpd U E d Apd = = + . (5.16.4) Из данного выражения видно, что пробивное напряжение зависит от произведения давления в газе на межэлектродное расстояние. Такая закономерность была экспериментально установлена Паше- ном еще до создания теории Таунсенда и получила название закона Пашена, согласно которому при постоянстве произведения pd пробивное напряжение газа должно оставаться постоянным. Из формулы (5.16.4) можно найти минимальное значение напряжения пробоя min U : ( ) min ln 1 1 γ B U e A = + , (5.16.5) где число e – основание натурального логарифма. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Вид экспериментальной установки показан на рис. 5.16.3. С по- мощью вакуумного насоса 1 откачивают воздух из стеклянной ка- меры, находящейся в блоке 2, предназначенном для исследования плазменных явлений. На электроды камеры подается высокое на- пряжение источником питания 3. Напряжение в диапазоне 1000 В измеряется мультиметром 4. Давление в камере измеряется прибо- ром для измерения давления 5 (аналоговым или цифровым) и кон- тролируется регулировочным клапаном 6. Расстояние между элек- тродами изменяется микрометрическим винтом 7. Если из камеры откачать воздух до давления в несколько гига- паскаль и на электроды подать напряжение около 500 В, то при оп- ределенном межэлектродном расстоянии будет возникать тлеющий разряд с фиолетовым свечением. 25 Рис. 5.16.3 ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ Следует соблюдать технику безопасности при работе с источни- ком высокого напряжения (меньше 1000 В). Не перегибать соеди- нительные шнуры, не касаться оголенных клемм, не разбирать блок 2. В течение всего времени работы вакуумного насоса 1 давление в камере не должно превышать нескольких гигапаскаль. Не переги- бать вакуумные шланги. ЗАДАНИЯ 1. Для подключения цифрового мультиметра к эксперименталь- ной установке используйте только изолированные шнуры; на муль- тиметре выберите диапазон 1000 В. Включите источник питания. Закройте регулировочный клапан и включите вакуумный насос. Отрегулируйте давление в камере до 3 гПа, осторожно открывая регулировочный клапан. Давление следует поддерживать постоян- ным в течение всей серии измерений. Переведите переключатель рабочего режима на блоке питания в положение «Cont.», а регуля- тор напряжения – в положение подачи максимального напряжения. 2. При помощи микрометрического винта изменяйте электродное расстояние и определите минимальное расстояние, на котором мо- 1 3 2 4 5 6 7 26 жет возникнуть тлеющий разряд с заданным максимальным напря- жением. Снова понизьте напряжение и отрегулируйте d до значе- ния, большего, чем минимально возможное расстояние для данного давления. Постепенно повышайте напряжение до тех пор, пока не возникнет электрический пробой и тлеющий разряд с фиолетовым свечением. Это приведет к увеличению тока между электродами и уменьшению напряжения на электродах при данном положении ре- гулятора напряжения. Снова опустите регулятор напряжения в ниж- нее положение и подождите, пока не исчезнет тлеющий разряд. За- пишите межэлектродное расстояние и показание мультиметра, отме- тив его как напряжение пробоя, в табл. 5.16.2. Таблица 5.16.2 Межэлектрод- ное расстояние d, мм Давление p, гПа pd, Па м Напряжение пробоя U пр , В Давление p, гПа pd, Па м Напряжение пробоя U пр , В 0,32 3 6 0,36 3 6 0,40 3 6 0,45 3 6 0,50 3 6 0,56 3 6 0,63 3 6 0,71 3 6 0,80 3 6 0,89 3 6 1,00 3 6 1,10 3 6 1,25 3 6 1,40 3 6 1,60 3 6 1,80 3 6 2,00 3 6 2,20 3 6 2,50 3 6 2,80 3 6 3,20 3 6 3,60 3 6 4,00 3 6 4,50 3 6 5,00 3 6 27 3. Увеличьте расстояние между электродами, поддерживая по- стоянное давление, запишите следующие значения напряжения пробоя. Измерения проводить для межэлектродных расстояний в диапазоне от 0,32 до 5,00 мм с шагом, указанном в таблице. 4. Измерьте зависимость напряжения пробоя при тех же межэ- лектродных расстояниях для давления 6 гПа. Для получения точ- ных значений при давлении 6 гПа увеличение напряжения возле напряжения пробоя должно проходить медленно, поскольку может понадобиться некоторое время, чтобы установилась достаточная начальная ионизация, необходимая для появления пробоя. Данные измерений также занесите в табл. 5.16.2. 5. По окончании измерений следует выключить источник питания, выключить вакуумный насос и открыть регулировочный клапан. |