Экспериментальная установка. В данной работе опыт Франка и Герца проводится для гелия и неона

В данной работе опыт Франка и Герца проводится для гелия и неона. Схема экспериментальной установки представлена на рис.4.

Регулируемый источник 1 тока накала позволяет установить ток, при котором получается удобная для измерений вольтамперная характеристика лампы. Между катодом и сеткой включён источник 2 ускоряющего напряжения. Потенциал анода относительно сетки устанавливается отрицательным с помощью источника задерживающего напряжения 3.

Рис. 4.

Верхний измерительный прибор на модуле измеряет анодный ток I_a, предел шкалы прибора – 100 мкА. Ручка U_зад устанавливает значение задерживающего напряжения в соответствии с надписями на шкале, расположенной вокруг ручки. На расположенное под ручкой гнездо выведено удвоенное значение U_зад для более точного измерения внешним прибором. На гнездо Y выведено напряжение, пропорциональное анодному току I_a (коэффициент пропорциональности 0,1 В/мкА, максимальное напряжение 10 В соответствует току 100 мкА).

На гнездо X выведено напряжение, пропорциональное ускоряющему напряжению U_уск (максимальному напряжению 10В соответствует ускоряющее напряжение 100 В).

Методика измерений.

Подключите прибор к сети. Сигналы ‹‹X›› и ‹‹Y›› подайте на соответствующие входы осциллографа (коэффициент отклонения 1 В/дел.). Если осциллограф не имеет входа ‹‹X››, представление о виде характеристики даст осциллограмма сигнала ‹‹Y››. Ручку регулировки тока накала поверните против часовой стрелки до упора. Тумблер режима измерений поставьте в положение «Λ». Нижний прибор должен измерять ток накала.

Включите прибор тумблером «ВКЛ». На экране осциллографа появится горизонтальная линия – вольтамперная характеристика в отсутствие анодного тока. Плавно увеличивая ток накала до 1,2-1,6 А, наблюдайте появление свечения нити накала лампы и, вместе с этим, - появление анодного тока на характеристике. Подбирая ток накала и задерживающее напряжение, получите характеристику типа приведённой на рис.3. Рекомендуемое значение первого максимума анодного тока I₁ составляет 30-50 мкА (3-5 В на выходе «Y»), первого минимума – 0-10мкА. Сравните характеристики, получаемые в режимах «НЕПР» и «ИМП».

Первый («резонансный») потенциал возбуждения атомов газа, заполняющего лампу, определяется в нашей установке как разность ускоряющих напряжений, соответствующих первому и второму минимуму анодного тока. Грубо это значение можно оценить по шкале осциллографа. Напомним, что 1 В на выходе «X» соответствует 10 В ускоряющего напряжения. Для более точных измерений перейдите в режим « = ». Плавно изменяя ускоряющее напряжение ручкой «U_уск», следите за изменениями анодного тока, зарегистрируйте его максимумы и минимумы, а также, соответствующие значения ускоряющего напряжения. Прибор, встроенный в модуль, позволяет измерять с погрешностью порядка 1 В. Более точные результаты даст внешний прибор (вольтметр), подключенный к гнёздам « ┴» и «U_уск» Для подключения к вольтметру, встроенному в осциллограф С1-112, используется специальный измерительный кабель, а осциллограф переключается в режим мультиметра.

Измерения.

1. Получите изображение вольтамперной характеристики на экране осциллографа.

2. Запишите в таблицу данные. Постройте вольтамперную характеристику по 10-12 точкам. Отметьте на ней положение экстремумов.

Таблица

I, мкА
U, В

3. Определите по графику первый потенциал возбуждения Ф1 для исследуемой лампы и укажите, каким инертным газом она наполнена.

Значения первых потенциалов Ф1 возбуждения инертных газов:

Гелий – 21,6 В Криптон – 9,9 В Аргон – 11,5 В

Ксенон – 8,3 В Неон – 16,6 В

Контрольные вопросы.

1. Модель атома Томпсона. Почему она была отвергнута?

2. В чём противоречия предложенной Резерфордом планетарной модели атома?

3. В чем сущность теории атома, предложенной Бором? Сформулируйте постулаты Бора. Каковы недостатки теории Бора?

4. Спектры атомов. Спектральные серии атома водорода.

5. Какие типы соударений возможны между электронами, ускоряемыми электрическим полем, и атомами?

6. И чём заключается опыт Франка и Герца и какие основные выводы можно сделать на основании опыта?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6.4

ИЗУЧЕНИЕ СЧЕТЧИКА ГЕЙГЕРА – МЮЛЛЕРА

Цель работы: ознакомиться с работой счетчика и определить его основные характеристики.

Приборы и оборудование: прибор «Арион» со свинцовым домиком (рис.1 ), источник β-излучения (соль KClв кювете, пластинка с отверстием для ограничения потока β – частиц.

1.Устройство и принцип действия.Счетчики Гейгера-Мюллера являются разновидностью газонаполненных детекторов. В общем случае к детекторам в ядерной физике относят приборы для регистрации, идентификации и установления характеристик заряженных или нейтральных частиц. Счетчики Гейгера-Мюллера предназначены только лишь для регистрации α – частиц, β – частиц и γ- квантов. Конструктивно газоразрядный счетчик представляет собой тонкостенную металлическую или стеклянную, покрытую с внутренней стороны слоем металла, цилиндрическую камеру (рис.2).

Рис.1 Схема измерительной камеры.

1 – корпус камеры, 2 – счетчики СТС–6, 3 – пластина для ограничения потока излучения, 4 – кювета с радиоактивной солью KCl.

Рис. 2.

Цилиндр служит катодом. Анодом является тонкая металлическая нить, расположенная по оси цилиндра. Счетчик заполнен специально подобранным газом, например, аргоном, при давлении 10 - 760 мм рт. ст. Между катодом и анодом за счет внешнего источника создается разность потенциалов 300 - 2500 В. Традиционная схема включения счетчика Гейгера-Мюллера в электрическую цепь показана на рис.3.

Регистрируемая частица, проходящая через объем счетчика, создает на выходе схемы электрический импульс. Физические процессы, происходящие в газоразрядных счетчиках, можно разделить на три стадии:

первичная ионизация, вторичная ионизация, повторные лавины.

Рис.3. Схема включения счетчика Гейгера – Мюллера.

1 – катод, 2 – анод, 3 – сопротивление нагрузки, 4 – разделительный конденсатор, 5 – источник питания.

Первичная ионизация. Она возникает вдоль траектории заряженной частицы, проходящей через счетчик. Первичные ионы могут возникнуть в любой области счетчика. Если трек умещается внутри трубки счетчика, то число ионов пропорционально энергии частицы.

Вторичная ионизация. Первичные электроны и положительные ионы движутся к электродам, разгоняясь электрическим полем. Электрическое поле внутри счетчика неоднородно, что является следствием асимметричности геометрии электродов. Электроны, движущиеся к нити-аноду, попадают в область очень больших электрических полей (силовые линии у нити сгущаются) и вблизи нити резко ускоряются. В результате возникает вторичная ударная ионизация. Вновь выбитый электрон успевает разогнаться и произвести новую ионизацию. Следовательно, процесс носит лавинный характер. На один первичный электрон в лавине ударных ионизаций образуется более 10³ вторичных частиц. Вторичная ионизация происходит в области порядка 0,1 мм около нити, а первичные электроны образуются вне этой области во всем пространстве счетчика. Первичную лавину отличает малая длительность – примерно 10^-8с.

Повторные лавины.Повторные лавины, как следствие первой лавины, могут возникать в счетчике за счет двух различных механизмов.

Первый механизм обусловлен быстро протекающими процессами. В начале развития лавины электроны возбуждают нейтральные молекулы, которые, возвращаясь в исходное состояние, испускают фотоны. Эти фотоны выбивают из катода за счет явления фотоэффекта электроны, которые и являются родоначальниками новых лавин. Время развития этого процесса 10^-6 с. Второй механизм образования повторных лавин обусловлен более медленными процессами. Он состоит в том, что положительные ионы, доходя до катода, выбивают из него электроны в процессе нейтрализации, т.к. потенциал ионизации атомов газа, заполняющего счетчик, в несколько раз выше работы выхода электронов из металла (4-5 эВ). Длительность развития лавины имеет порядок 10^-4с.

Таким образом, если два рассмотренных механизма смогут вызывать повторные лавины неопределенно длительное время, то разряд в счетчике превращается в самостоятельный. В этом случае возникает проблема гашения самостоятельного разряда.

Счетчики Гейгера-Мюллера работают в режиме самостоятельного разряда с гашением. Импульс напряжения, создаваемый этими счетчиками достаточно велик (0,2-40 В) и не зависит от энергии регистрируемой частицы. Следовательно, эти счетчики только регистрируют частицу без измерения ее энергии. Разрешающее время этих счетчиков 10^-3 – 10^-5с (в лучших до 10^-7с).

Конструктивные особенности счетчиков определяются видом регистрируемых частиц, в первую очередь их энергией и проникающей способностью.

2. Эффективность счетчика.Эффективностью счетчика называется отношение числа регистрируемых счетчиком частиц или квантов к полному числу проходящих через него частиц. Счетчики Гейгера-Мюллера не обладают 100%-ной эффективностью. Это обусловлено тем, что частица, прошедшая через счетчик, может не создать даже одной пары ионов. Тем не менее, эффективность счетчика для электронов составляет 99% и даже 99,9%.

Регистрация γ- лучей осуществляется через посредство быстрых электронов, образующихся при поглощении или рассеянии γ- квантов, в основном, в стенках счетчика. Эффективность счётчика для γ- лучей зависит от материала стенок (катода) и энергии γ- квантов и составляет обычно около 3%.

3. Счетная характеристика. Счетной характеристикой счетчика Гейгера-Мюллера называется зависимость скорости счета от приложенного напряжения при неизменной интенсивности ионизирующего облучения счетчика. Типичная счетная характеристика имеет четыре участка (рис.4).

На участке малых напряжений (участок 1) регистрация импульсов не происходит. Напряжение начала счета U_п (пороговое напряжение) соответствует минимальным амплитудам импульсов, пропускаемых формирователем. Величина этого напряжения зависит от диаметра нити анода, рода газов, входящих в состав рабочей смеси, давления газа и т.д. На начальном участке счетной характеристики (участок 2) быстрый рост числа импульсов объясняется тем, что счетчик работает в области ограниченной пропорциональности, где возникновение разряда в счетчике зависит от числа первоначально образовавшихся пар ионов.

Рис. 4. Счетная характеристика.

В области так называемого “плато” счетной характеристики (участок 3) число зарегистрированных импульсов практически не зависит от напряжения, т.к. каждая ионизирующая частица, попадающая в объем счетчика, вызывает электронно-ионную лавину и самостоятельный разряд в газе. В действительности плато имеет некоторый наклон, вызванный ложными импульсами за счет неполного гашения, краевых эффектов и т.д. Наличие плато обеспечивает устойчивую работу счетчика. Рабочее напряжение выбирается на середине плато. Хорошие счетчики имеют плато протяженностью 100-300 В с наклоном 5-7% на 100 В.

При дальнейшем увеличении напряжения скорость счета резко возрастает (участок 4), т.к. счетчик переходит в режим спонтанного разряда.

Пороговое напряжение, положение и длина плато являются индивидуальными характеристиками счетчика и могут меняться в широких пределах. Поэтому для правильного выбора рабочего напряжения необходимо снимать счетную характеристику каждого счетчика.

Разрешающее время счетчиков.В течение разряда и некоторого промежутка времени, непосредственно следующего за разрядом, электрическое поле в счетчике имеет меньшую величину. Частицы, попавшие в счетчик в начальной стадии развития разряда, вообще не регистрируются. Этот интервал времени τ носит название мертвого времени счетчика.Промежуток времени, необходимый для полного восстановления электрического поля в счетчике после окончания мертвого времени, называется временем восстановления t_в. Мертвое время определяет минимальный промежуток времени, которым должны быть разделены пролеты через счетчик частиц, чтобы они были зарегистрированы отдельно. Типичное значение мертвого времени для счетчиков Гейгера-Мюллера 10^-3 –10^-5с.

Выполнение работы.

Подготовить лабораторную установку к работе, проверив работоспособность источника питания, секундомера и счетчика импульсов. Установить минимально возможное напряжение питания счетчиков (250 В).