Высоковольтный блок питания

Лабораторная работа

Дифракция электронов

Примечание. На практике обычно имеем дело не с импульсом, а с кинетической энергией Т электрона. Длина волны де Бройля нерелятивистского электрона с кинетической энергией Т равна:

,

а для релятивистского электрона:

.

Энергия покоя электрона Е = mc² = 0,511 МэВ.

При энергиях Т<20 кэВ погрешность в длине волны, определяемой по нерелятивистской формуле, меньше 1%. Поэтому в дальнейшем будем считать электрон нерелятивистским.

Из (3) видно, что электрон, ускоренный разностью потенциалов U = 150 B, имеем длину волны λ = 1Ả; это порядок величины длины волны мягких рентгеновских лучей. Следовательно, дифракцию электронов, как и дифракцию рентгеновских лучей, можно наблюдать на кристаллах.

Дифракцию волн на кристаллах можно трактовать как интерференцию волн, зеркально отраженных от атомных плоскостей трактовка Л.Брэгга и Ю.В.Вулфа. Проведем в кристалле произвольную атомную плоскость АВ (рис. 1). Если на эту плоскость под углом скольжения θ падает луч МО, то под тем же углом возникает отраженный луч ON. В том же направлении

Возникнут лучи, отраженные параллельными атомными плоскостями А́В́, А˝В˝, …

Разность хода PO´Q между лучами, отраженными смежными атомными плоскостями АВ и А́В́, равна , где d – расстояние между этими плоскостями. Для интерференционного усиления отраженных лучей должно выполняться условие (условие Брэгга):

(4)

В кристалле можно провести бесконечное множество систем параллельных атомных плоскостей в различных направлениях АА́, ВВ́, СС́,…

Как показано на рис. 2. Но эффективными являются только такие плоскости, на которых атомы расположены довольно густо. Так, на рис. 2 атомы наиболее густо расположены на плоскостях АА́, менее густо – на плоскостях

ВВ́, и т. д. От всех этих плоскостей возможно интерференционное отражение. Наибольшую интенсивность будут иметь лучи, отраженные от плоскостей АА́.

Пусть исследуемый образец представляет собой кристалл, т.е. состоит из множества беспорядочно расположенных кристалликов. Тогда в образце найдутся много кристалликов, для которых выполнятся условие Брэгга (4). На рис. 3 показано отражение от одного кристаллика АА́. Среди множества беспорядочно ориентированных кристалликов найдется еще много кристалликов, на которые луч падает под тем же углом скольжения θ (на рис. 3 кристаллик ВВ́, от которого отражается луч ОС́). Лучи , испытавшие брэгговское отражение под одним и тем же углом 2 θ, образуют поверхность конуса, ось которого направлена вдольнаправления падающего луча. Как видно из рис. 3,угол раствора конуса определяется межплоскостным расстоянием d, а эти расстояния образуют дискретный набор, поэтому за образцом возникает дискретное семейство конусов с общей вершиной О и с общей осью СС́ (рис. 4).

Прибор для наблюдения дифракции электронов представляет собой электронно-лучевую трубку специальной конструкции, в одном конце которой собрана электронная пушка, другой конец имеет сферическую форму (рис. 5). Внутренняя поверхность сферы покрыта люминесцирующим веществом. Электроны, вылетевшие из электронной пушки, падают на кристалл и дифрагируют. Дифрагированные электроны, падают (ударяются) на люминесцирующий слой и образуют концентрические окружности, т.е. создают дифракционную картину (рис. 6).

На рис. 7 представлена ˝геометрия˝ сферической части устройства, где К – кристалл, R – радиус сферической трубки, r – радиус дифракционного кольца.

. (5)

Как видно из рис. 7,

. (6)

При малых углах , поэтому можно считать, что . Точно так же можно считать, что .

Учитывая допущенные приближения, из (4), (5), (6) получаем:

, (7)

или

(8)

В установке наблюдается дифракция электронов на поликристалле графита. Кристаллическая решетка графита имеет слоистую гексагональную структуру (рис. 8). На рис. 9 показаны пять семейств атомных плоскостей с указанием межплоскостных расстояний. Для нас представляют интерес плоскости а и б, т.к. на этих плоскостях наибольшая поверхностная плотность атомов.

Экспериментальная установка

Рис.10.

Общий вид экспериментальной установки показан на рис. 10, где 1 – высоковольтный блок питания, 2 – низковольтный блок питания, 3 – устройство для наблюдения дифракции электронов.

Рис 11.

На рис. 11 показана схема соединения блоков питания с устройством для наблюдения дифракции электронов.

Высоковольтный блок питания.

Лицевая сторона высоковольтного блока показана на рис. 12.

Рис. 12.

1 - ручка регулирования выходного напряжения +1-10 кв4

2 - дисплей, на котором высвечивается выходное напряжение;

3 - переключатель, чтобы выбрать выходное напряжение между тремя выходными гнездами: верхний – нижний, верхний – средний, средний – нижний.

4 - выходные гнезда;

5 - светодиоды, показывающие выходные гнезда, на которые подано напряжение, которое высвечивается на дисплее;

6 - гнездо заземления.

Блок регулируемого напряжения 0­600 В.

Блок служит для питания нити накала электронной пушки (6,3 В) и для подачи напряжений на моделирующий и формирующий аноды. Лицевая сторона блока показана на рис. 13

Рис. 13

1 – гнезда на 0-12 В /0,5 А.

2 – гнезда на 0-50 В /50 мА.

3 – гнезда на 0-300 В /50 мА.

4 – гнездо заземления (или заземленное).

5 – гнездо на 0-300 В /50 мА.

6 – гнезда на 6,3 В переменного напряжения.

7 – сверхтоковый предохранитель (выключатель) для 6,3 В.

8 – светодиод, указывающий включение блока.

9, 10, 11 – ручки управления выходными напряжениями на гнездах 1, 2, 3.

Трубка.

Устройство для наблюдения дифракции электронов представляет собой эвакуированную трубку (электронно-лучевая трубка) специальной формы. Внешний вид трубки показан на рис. 14.

Рис. 14.

Устройство трубки схематично показано на рис. 15.

Цилиндрическая часть трубки представляет собой электронную пушку, расположение электродов в которой показано на рис. 15, 16, где Н –нить накала катода, К –катод, G -моделирующий анод, G - предварительно ускоряющий анод, G - ускоряющий анод, G -формирующий электрод.Термоэлектроны, вылетающие из катода,ускоряются формируются в узкий пучок и падают на графитовую пластинку. Дифрагированные электроны, падая на люминесцирующий экран, образуют светлые дифракционные кольца. Радиусы колец можно измерить с помощью штанген-циркуля.

Выполнение работы.

1. Ознакомление с экспериментальной установкой (рис.10).

2. Согласно схемам рис 11 соедините соответствующие гнезда блоков питания и устройства по наблюдению дифракции электронов.

3. Все ручки управления на блоках питания установите в крайнее левое положение.

4. Включите блоки питания в электрическую сеть. После включения блоков питания никаких переключений соединительных проводов не производить!

5. Установите анодное напряжение ≈5 кВ (по дисплею) и с помощью ручек „0 ÷ -50 V, +300 V“ получите на экране дифракционные кольца.

6. При напряжениях 5, 6, 7, 8, 9 кВ измерьте радиусы дифракционных колец и ( > ).

7. По результатам измерений заполните таблицу:

Анодное напряжение (по показанию дисплея).

Длина волны де Бройля, вычисленная по формуле (3).

Радиусы дифракционных колец.

Длина волны, вычисленная по формуле

Межплоскостное расстояние, вычисленное по формуле:

8. . Построить график