Dyfrakcja elektronów

Podobne dokumenty
Natura światła. W XVII wieku ścierały się dwa, poglądy na temat natury światła. Isaac Newton

Ćwiczenie 12 (44) Wyznaczanie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

Światło fala, czy strumień cząstek?

Promieniowanie X. Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie Budowa lampy rentgenowskiej Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania X

Ćw. 20. Pomiary współczynnika załamania światła z pomiarów kąta załamania oraz kąta granicznego

Prawa optyki geometrycznej

FALOWE WŁASNOŚCI MIKROCZĄSTEK SPRAWDZANIE HIPOTEZY DE BROGLIE'A

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

Widmo fal elektromagnetycznych

Dyfrakcja. interferencja światła. dr inż. Romuald Kędzierski

Wyznaczanie stosunku e/m elektronu

39 DUALIZM KORPUSKULARNO FALOWY.

3.5 Wyznaczanie stosunku e/m(e22)

Fal podłużna. Polaryzacja fali podłużnej

Pomiar długości fali świetlnej i stałej siatki dyfrakcyjnej.

Problemy optyki falowej. Teoretyczne podstawy zjawisk dyfrakcji, interferencji i polaryzacji światła.

Badanie zjawisk optycznych przy użyciu zestawu Laser Kit

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Zasada Fermata mówi o tym, że promień światła porusza się po drodze najmniejszego czasu.

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

Prawo odbicia światła. dr inż. Romuald Kędzierski

Ćwiczenie 363. Polaryzacja światła sprawdzanie prawa Malusa. Początkowa wartość kąta 0..

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

41P6 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - V POZIOM PODSTAWOWY

VII. CZĄSTKI I FALE VII.1. POSTULAT DE BROGLIE'A (1924) De Broglie wysunął postulat fal materii tzn. małym cząstkom przypisał fale.

Podstawy fizyki wykład 7

Dyfrakcja. Dyfrakcja to uginanie światła (albo innych fal) przez drobne obiekty (rozmiar porównywalny z długością fali) do obszaru cienia

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

5.1. Powstawanie i rozchodzenie się fal mechanicznych.

Fale materii. gdzie h= J s jest stałą Plancka.

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

Podstawy fizyki wykład 8

Wykład 17: Optyka falowa cz.2.

Falowa natura światła

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

Optyka stanowi dział fizyki, który zajmuje się światłem (także promieniowaniem niewidzialnym dla ludzkiego oka).

BADANIE INTERFERENCJI MIKROFAL PRZY UŻYCIU INTERFEROMETRU MICHELSONA

Zjawisko interferencji fal

Fizyka elektryczność i magnetyzm

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

Efekt Halla. Cel ćwiczenia. Wstęp. Celem ćwiczenia jest zbadanie efektu Halla. Siła Loretza

Theory Polish (Poland)

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

Ćwiczenia z mikroskopii optycznej

BADANIE I ACHROMATYZACJA PRĄŻKÓW INTERFERENCYJNYCH TWORZONYCH ZA POMOCĄ ZWIERCIADŁA LLOYDA

Interferencja i dyfrakcja

III. EFEKT COMPTONA (1923)

Efekt fotoelektryczny

ZESTAW PYTAŃ I ZAGADNIEŃ NA EGZAMIN Z FIZYKI sem /13

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

Monochromatyzacja promieniowania molibdenowej lampy rentgenowskiej

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

Badanie przy użyciu stolika optycznego lub ławy optycznej praw odbicia i załamania światła. Wyznaczanie ogniskowej soczewki metodą Bessela.

Katedra Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego

Interferencja. Dyfrakcja.

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

Opis matematyczny odbicia światła od zwierciadła kulistego i przejścia światła przez soczewki.

Zjawisko interferencji fal

Zwierciadło kuliste stanowi część gładkiej, wypolerowanej powierzchni kuli. Wyróżniamy zwierciadła kuliste:

Fizyka współczesna. Pracownia dydaktyki fizyki. Instrukcja dla studentów. Tematy ćwiczeń

Rozładowanie promieniowaniem nadfioletowym elektroskopu naładowanego ujemnie, do którego przymocowana jest płytka cynkowa

W tym module rozpoczniemy poznawanie właściwości fal powstających w ośrodkach sprężystych (takich jak fale dźwiękowe),

Podstawy fizyki kwantowej

Krystalografia. Dyfrakcja

BADANIE WYMUSZONEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ. Instrukcja wykonawcza

POMIAR PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU METODĄ REZONANSU I METODĄ SKŁADANIA DRGAŃ WZAJEMNIE PROSTOPADŁYCH

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

Interferencja i dyfrakcja

2.6.3 Interferencja fal.

Ćwiczenie nr 5 Doświadczenie Franka-Hertza. Pomiar energii wzbudzenia atomów neonu.

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdffactory

Promieniowanie rentgenowskie. Podstawowe pojęcia krystalograficzne

BADANIE WYMUSZONEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ

zadania zamknięte W zadaniach od 1. do 10. wybierz i zaznacz jedną poprawną odpowiedź.

Laboratorium TECHNIKI LASEROWEJ. Ćwiczenie 1. Modulator akustooptyczny

Wyznaczanie długości fali świetlnej za pomocą spektrometru siatkowego

OPTYKA FALOWA. W zjawiskach takich jak interferencja, dyfrakcja i polaryzacja światło wykazuje naturę

Fala elektromagnetyczna o określonej częstotliwości ma inną długość fali w ośrodku niż w próżni. Jako przykłady policzmy:

LABORATORIUM Z FIZYKI Ć W I C Z E N I E N R 2 ULTRADZWIĘKOWE FALE STOJACE - WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FAL

Fizyka fal cyrklem i linijką

Światło ma podwójną naturę:

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

6.4. Dyfrakcja fal mechanicznych.

18 K A T E D R A F I ZYKI STOSOWAN E J

Ładunek elektryczny jest skwantowany

Na ostatnim wykładzie

POMIAR APERTURY NUMERYCZNEJ

Wykład 16: Optyka falowa

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

DYFRAKCYJNE METODY BADANIA STRUKTURY CIAŁ STAŁYCH

Fale elektromagnetyczne w dielektrykach

przenikalność atmosfery ziemskiej typ promieniowania długość fali [m] ciało o skali zbliżonej do długości fal częstotliwość [Hz]

Dźwięk. Cechy dźwięku, natura światła

Transkrypt:

Narodowe Centrum Badań Jądrowych Dział Edukacji i Szkoleń ul. Andrzeja Sołtana 7, 05-400 Otwock-Świerk ĆWICZENIE 12 L A B O R A T O R I U M F I Z Y K I A T O M O W E J I J Ą D R O W E J Dyfrakcja elektronów Imię i nazwisko:...... Imię i nazwisko:...... Data pomiaru:... 1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest obserwacja zjawiska dyfrakcji wiązki elektronów i potwierdzenie falowej natury elektronów przez obserwację ich dyfrakcji na sieci krystalicznej grafitu. Rys. 1 2. UKŁAD DOŚWIADCZALNY Zestaw ćwiczeniowy (rys. 1) stanowią: lampa elektronowa (z dodatkowym magnesem) rys. 4, zasilacz (U Ż = 6,3 V, U A = 0-4,5 kv), linijka, cyrkiel. 3. WSTĘP TEORETYCZNY Ruch falowy to rozchodzenie się (w czasie lub przestrzeni) powtarzającej się (rytmicznej, pulsującej, periodycznej) zmiany pewnej wielkości. Tą wielkością może być np. odchylenie poziomu wody w danym punkcie od pewnej powierzchni tak rozchodzą się fale na powierzchni wody. Wielkość tego odchylenie to amplituda fali. Faza opisuje stopień odchylenie od poziomu odniesienia i zmiany tego odchylenia. Wzajemnie sprzężone i prostopadłe do siebie pola elektryczne i magnetyczne, których natężenie zmienia się cyklicznie, gdy rozchodzą się w próżni z prędkością 300 000 km/s, to fale elektromagnetyczne (światło, fale radiowe, mikrofale...). Rozchodzące się w przestrzeni zgęszczenie i rozrzedzenie powietrza, czyli zmiany ciśnienia, to z kolei fale akustyczne (dźwiękowe). Falę nazywamy poprzeczną, gdy zmiana parametru zachodzi prostopadle do kierunku rozchodzenia się tak jest w przypadku fal elektromagnetycznych. Falę nazywamy podłużną, gdy zmiany zachodzą wzdłuż kierunku rozchodzenia się - takimi falami są fale akustyczne. Długość fali (zwykle oznaczana literą λ) to najmniejsza odległość punktów o jednakowej fazie, czyli mających tę samą wartość i podlegających takim samym zmianom. Czoło fali to powierzchnia łącząca punkty o jednakowej fazie, a promień fali jest to prosta prostopadła (a właściwie normalna) do powierzchni czoła fali. Okres zmienności fali (T) to czas, po którym następuje powrót do tej samej fazy, zaś częstotliwość fali (oznaczana literą f bądź grecką ν czyt. niu ) to jego odwrotność: T=1/ν. Łatwo obliczyć, że jeśli fala porusza się z prędkością V, to długość fali wynosi λ=v T=V/ν.

Zasada Huygensa (czyt.: hojchensa), którą sformułował Christiaan Huygens, mówi, że każdy punkt ośrodka, do którego dotarło czoło fali, można uważać za źródło nowej fali kulistej. Fale te zwane są falami cząstkowymi i nakładają się na siebie (czyli interferują ze sobą). To właśnie efekt tego nakładania obserwujemy w ośrodku. Zasada Huygensa pozwala wyjaśnić: odbicie fali na granicy dwóch ośrodków, załamanie fali przy przejściu do ośrodka o innej prędkości rozchodzenia się fal, ugięcie fal na przeszkodzie, interferencję, czyli nakładanie się ciągów fal: jeżeli nakładające się ciągi mają tę samą fazę nastąpi wzmocnienie, przy fazach przeciwnych następuje wygaszenie; Zasada Huygensa nie określa jednak amplitudy fali. W ogólnym przypadku amplituda ta będzie zależała od geometrii układu i kierunku, w którym fala się porusza. Zjawisko interferencji może następować np. wtedy, gdy spotykają się fale rentgenowskie odbite od różnych płaszczyzn atomowych kryształów. Sytuację taką ilustruje rys. 2. Czarne kropki to atomy sieci krystalicznej. Poszczególne płaszczyzny sieci są odległe o odległość d. Ciąg fal odbitych od górnej płaszczyzny pod kątem pomiędzy płaszczyzną kryształu i promieniem padającym, może nałożyć się na ciąg fal odbitych od płaszczyzny dolnej. Fazy obu ciągów będą takie same wtedy i tylko Rys. 2 wtedy, gdy różnica dróg optycznych r jest całkowitą wielokrotnością długości fali. Następuje wtedy tzw. interferencja konstruktywna i można zaobserwować duże natężenie promieniowania rozproszonego pod tym kątem. W innych przypadkach interferencja nie jest konstruktywna i natężenie promieniowania rozproszonego jest bardzo małe. Analiza rysunku pozwala na wyrażenie warunku na interferencję konstruktywną w sposób matematyczny: n λ = 2d sin gdzie n to tzw. rząd ugięcia, λ to długość fali promieniowania, d to odległość pomiędzy płaszczyznami atomowymi, zaś to kąt, pod jakim następuje wzmocnienie. Warto w tym miejscu zauważyć, że pomiędzy kąt pomiędzy falą padającą na siatkę a falą rozproszoną wynosi 2. Stosując powyższy opis cały czas traktujemy promieniowanie rentgenowskie jak fale, jednak zgodnie z falowo-korpuskularnym dualizmem natury można przypisać mu także energię E i pęd p, czyli wielkości charakterystyczne dla cząstek. Wyrażają się one wzorami: (1) E = h ν, p = E/c (2) gdzie h to tzw. stała Plancka (h = 6,625 10-34 J s = 4,136 10 15 ev s), a c to oczywiście prędkość fal elektromagnetycznych (czyli światła) w próżni (c = 3 10 8 m/s). Analogicznie poruszającym się cząstkom (w tym elektronom) można przypisać pewną częstotliwość i długość fali. Proste przeliczenia pokazują, że: 2 E p h ν = =, λ = (3) h 2mh p gdzie m to masa cząstki. Jeśli cząstkami tymi będą elektrony przyspieszane w polu o różnicy potencjałów U (w woltach), ich energia kinetyczna będzie wynosiła E = e U (gdzie e = 1,602 10 19 C), zatem można też obliczyć długość fali elektronu w zależności od przyspieszającego go napięcia: eu = 2 h h λ = 2 2 m λ 2 meu (4) - 2 -

Podstawiając do powyższych wzorów ładunek i masę elektronu (m = 9,11 10 31 kg) oraz stałą Plancka stwierdzimy, że pomiędzy napięciem przyspieszającym U a długością fali elektronów λ występuje prosty związek: λ = 1,227 U ½ (5) gdzie napięcie wyrażone jest w woltach (V), a długość fali w nanometrach (nm). Na przykład dla U = 4 kv otrzymujemy długość fali ok. 0,02 nm. W ćwiczeniu elektrony są przyspieszane regulowanym przez nas napięciem U i padają na folię grafitową, w której atomy ułożone są w charakterystyczny wzór sześciokąta foremnego. Jak widać na rysunku 3, atomy grafitu leżą na płaszczyznach, których najmniejsze odległości od siebie wynoszą d 11 = 0,123 nm oraz d 10 = 0,213 nm. Z warunku Bragga wynika zatem, że dla tej samej długości fali elektrony będą rozpraszane pod dwoma różnymi kątami w zależności od płaszczy- zny, od której się odbiją: d 10 λ = 2d 11 sin 11 λ = 2d 10 sin 10 (6) Ponieważ ziarna proszku mają przypadkową orientację, uginanie się wiązek będzie zachodziło we wszystkich kierunkach przestrzeni, tworzących z kierunkiem wiązki padającej kąt 2. Inaczej mówiąc wiązki ugięte będą tworzyły stożek o kącie rozwarcia 4, a na ekranie ustawionym prostopadle do osi tego stożka zobaczymy pierścienie (przecięcie stożka z płaszczyzną ekranu). Schemat lampy elektronowej pokazany jest na rys. 4. napięcie anodowe U A 2,5-4,5 kv - + d 11 Rys. 3 ekran luminescencyjny anoda puszka katodowa Uż = 6,3 V grzana katoda siatka sterująca magnes elektroda tarczy siatka niklowa pokryta grafitem Rys. 4 Ponieważ elektrony są cząstkami posiadającymi ładunek elektryczny, to w trakcie ruchu oddziałują z polem magnetycznym. Wartość, kierunek i zwrot tego działania opisuje tzw. siła Lorentza. Dowodem na jej istnienie jest fakt, że magnes umieszczony w pobliżu układu pomiarowego wpływa na ruch elektronów w wiązce. Dzięki temu można przesuwać obraz dyfrakcyjny na ekranie luminescencyjnym oraz wpływać na jego ostrość. W podobny sposób działają ekrany telewizorów kineskopowych. - 3 -

4. PRZEBIEG DOŚWIADCZENIA A) Połączyć układ elektryczny wg schematu (rys. 4), po uzyskaniu zgody opiekuna uruchomić zasilanie i odczekać 1 minutę, aby grzana katoda osiągnęła stan równowagi; Zwiększać stopniowo napięcie anodowe U A w ch 2,5 4,5 kv i obserwować pojawianie się pierścieni dyfrakcyjnych; UWAGA: wykonując ćwiczenie nie wolno przekraczać 4,5 kv! Zainstalować magnes w okolicy działa elektronowego; Obserwować powiększony wzór siatki niklowej z naniesionym na niej w przypadkowy sposób grafitem (działko elektronowe zachowuje się tu w sposób bardzo podobny do mikroskopu elektronowego o powiększeniu ok. 30 razy); Manipulując magnesem dookoła połączenia szyjki z bańką lampy obserwować zmiany ostrości obrazu wywołane zmianami miejsca padania zbieżnej wiązki elektronów na próbkę. B) B1) Dla każdego z napięć anodowych podanych w tabeli 1 należy zmierzyć 3-krotnie wewnętrzną i zewnętrzna średnicę każdego z dwóch pierścieni dyfrakcyjnych, a następnie obliczyć ich średnie wartości. Do proponowanych pomiarów należy stosować cyrkiel, linijkę lub cokolwiek innego wybór metody będzie zależał od pomysłowości eksperymentatora. B2) Wykorzystując wartości średnie wyliczone w punkcie B1, wyznacz średnice obu pierścieni, uwzględniając poprawkę (patrz rys. 5) na promień wewnętrzny lampy (R = 66,0 mm) i grubość szkła (1,5 mm). Ekstrapolowane wartości średnic (D) należy wpisać do tabeli 2 i na podstawie tak zebranych danych sporządzić wykres zależności D od napięcia anodowego, a jeszcze lepiej od (U A ) -1/2. C) Podać wnioski; uwzględnić możliwe błędy pomiarowe. - 4 -

JAK UWZGLĘDNIĆ GRUBOŚĆ SZKŁA BAŃKI? C A wiązka ugięta Z 2 O 4 E F B początkowy kierunek wiązki R t Rys. 5 Widok z boku na lampę z mozaiką kryształów grafitu Mozaika kryształków grafitu znajduje się w punkcie Z. Wiązka elektronowa trafia na ściankę bańki w punkcie A i wzbudza w nim świecenie luminoforu. Świecenie to obserwujemy jednak na powierzchni bańki, gdyż światło to przechodzi przez szkło pokonując dodatkowo jeszcze dystans zbliżony do odcinka AC. Zmierzona średnica D obrazu dyfrakcyjnego równa się zatem podwojonej długości odcinka CF. Jak uwzględnić grubość szkła? Kąt można obliczyć wykorzystując zależność pomiędzy kątem wpisanym (tutaj 2) i środkowym w okręgu (tutaj 4) oraz definicję funkcji sinus: AE sin ( 4 ) = OA Długość odcinka OA jest znana i wynosi R. Promień bańki szklanej wynosi R = (66±1) mm, a grubość bańki t = 1,5 mm. Potrzebna jest jeszcze długość odcinka AE. Z podobieństwa trójkątów OAE i OCF widać, że: AE OA R R 1 = = zatem AE = D CF OC R + t R + t 2 Podstawiając odpowiednie wartości do pierwszego wzoru uzyskujemy: 1 2 D sin ( 4 ) = R + t Ten sam wzór powstanie, jeśli zastosuje się nieco inną, lecz równie prawdziwą definicję sinusa: CF sin ( 4 ) = OC gdzie za wartości CF i OC można podstawić bezpośrednio wartości ½D i R+t. Zupełnie innym sposobem na obliczenie wartości kąta jest zmierzenie średnicy okręgów wzdłuż obwodu bańki. Wtedy zmierzona długość L odpowiada podwojonej długości łuku (BC) o promieniu OC równym R+t. Z definicji kąta uzyskujemy wtedy: ( BC ) 1 2 L 4 = = OC R + t - 5 -

TABELA 1 (zadanie B1) napięcie anodowe U A [kv] dolna [mm] WEWNĘTRZNEGO górna [mm] ŚREDNICE PIERŚCIENI wartość średnia [mm] dolna [mm] ZEWNĘTRZNEGO górna [mm] wartość średnia [mm] 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 TABELA 2 (zadanie B2) U A [V] (U A ) -0,5 [V -0,5 ] wewnętrzna D zewnętrzna 2500 0,0200 3000 0,0183 3500 0,0169 4000 0,0158 4500 0,0149-6 -