36

Одесский национальный университет имени и. И. Мечникова Кафедра экспериментальной физики атомная физика

Часть I

Методические указания к лабораторным работам

для студентов III курса

физического факультета

Одесса – 2009

Печатается по решению Ученого

Совета физического факультета

Составители:

Бабинчук Валентин Степанович

Ницук Юрий Андреевич

Рецензент:

Чемересюк Георгий Гаврилович

В методических указаниях рассмотрены вопросы методики выполнения ряда задач физического практикума по курсу «Физика атома и атомных явлений».

Содержание

Лабораторная работа № 1. Определение удельного

заряда электрона ……………..................................................4

1. Определение удельного заряда электрона по методу

фокусировки продольным магнитным полем (метод Буша)….4

2. Определение е/т по методу отклонения элек­тронного

луча в магнитном поле Земли……………………………..….…....7

Лабораторная работа №2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДА

ЭЛЕКТРОНА ПО МЕТОДУ МИЛЛИКЕНА……………….…..10

Лабораторная работа № 3. Определение потенциалов возбуждения и ионизации атомов……………..…..15

1.Определение потенциалов возбуждения атома……..…..……15

2. Определение потенциалов ионизации атома……………..….18

Лабораторная работа № 4. Определение постоянной

Ридберга……………………………………..…………….…...…21

Лабораторная работа № 5 Изучение спектров комбинационного рассеяния……………………...…………...27

Лабораторная работа № 1 Определение удельного заряда электрона

Удельным зарядом электрона называется отношение заряда электрона e к его массе m. Первые измерения этой величины были выполнены Дж. Томсоном (1897), и с его именем связано открытие электрона.

Методика, предложенная Томсоном, заключалась в исследовании воздействия постоянного электрического и магнитного поля на каналовые лучи. Впоследствии она сыграла важную роль в выяснении природы катодных лучей, γ-лучей, α-частиц, позитрона, в открытии изотопов и создания масс-спектроскопии.

В предлагаемой лабораторной работе описаны два метода определения е/m, основанные на изучении движения электрона в магнитном поле.

1. Определение удельного заряда электрона по методу фокусировки продольным магнитным полем (метод Буша)

Рассмотрим действие магнитного поля на расходящийся пучок электронов, выходящих из одной точки (отверстие диафрагмы). Со стороны поля с индукцией В на электроны будет действовать сила Лоренца

(1)

Разложим вектор скорости на компоненты, перпендикулярную полю υ_r и параллельную ему υ_l:

υ_r=υ∙sin α υ_l= υ∙cos α

Если электрон движется перпендикулярно полю со скоростью υ_r, то под действием силы F_r=еυ_rB он будет описывать окружность радиуса r Рассматривая силу F_r как центростремительную, то есть

(2)

Найдем

(3)

В ремя t, в течение которого электрон опишет полную окружность, будет

(4)

Следовательно, время t не зависит от r . Это значит, что элек­троны, вылетающие из некоторой точки с различными скоростями υ_r, опишут полные окружности различного радиуса и одновременно вернутся в исходную точку. Такая ситуация показана на рис. 1 справа, для четырех электронов, имеющих различные скорости.

На продольную компоненту скорости υ_l магнитное поле не оказывает влияния F_l=0. Поэтому за промежуток времени t электроны продвинутся вдоль поля В на расстояние l, равное

(5)

Для малых углов α можно положить cos α≈1. Следовательно, все электроны, имеющие одинаковую скорость υ и попадающие в продоль­ное магнитное поле в виде расходящегося пучка, фокусируются этим полем на расстоянии l. Измеряя это расстояние для заданного магнитного поля и известной скорости электрона υ из формулы (5) легко найти

(6)

Обычно электроны попадают в магнитное поле после предварительного ускорения их известным электрическим полем. Под действием этого поля они проходят некоторую разность потенциалов U и приобретают кинетическую энергию

(7)

Выражая отсюда скорость υ, вместо (6) получим

(8)