Порядок выполнения работы на компьютере

ИЗУЧЕНИЕ ВОЛНОВЫХ СВОЙСТВ МИКРОЧАСТИЦ

Цель работы: обнаружение волновых свойств у ионов меди

Основная задача: определение длины волны де-Бройля ионов ме­ди с помощью дифракционной картины

Методика эксперимента

Важным этапом в создании квантовой механики явилось обнаружение волновых свойств микрочастиц (электронов, протонов, атомов и т.п.). Луи де Бройль (1924) предположил, что корпускулярно-волновой дуа­лизм - одновременное наличие корпускулярных и волновых свойств), установленный для света (поля) имеет универсальный характер. Все частицы вещества, имеющие конечный импульс р, обладают волновыми свойствами и их движению, согласно формуле де Бройля, соответствует волна с длиной

, (1)

где - масса частицы,

- ее скорость,

- постоянная Планка, равная 6,625·10^-34 Дж·с.

Впоследствии волны, соответствующие движущимся частицам, стали называться волнами де Бройля иди волнами материи.

В настоящей работе исследуется дифракция ионов меди на круглом отверстии, диаметр которого соизмерим с длиной волны, соответствующей движущимся ионам с массой m и скоростью v. Ионы, ускоренные электрическим полем, при прохождении через отверстие в диафрагме Д (рису­нок 1) испытывают дифракцию. На экране Э возникает дифракционная картина, максимумы и минимумы которой будут располагаться в виде кон центрических колец. Длину волны ионов можно определить как по форму­ле де-Бройля (1), так и другим путем.

Рисунок 1

Из теории дифракции света известно, что для плоской волны длина λ волны и число зон Френеля n, укладывающихся в отверстии, связаны соотношением

(2)

где r - радиус отверстия, l - расстояние между диафрагмой и экраном.

При малом общее число темных и светлых колец на экране совпа­дает с количеством зон Френеля, т.е. можно определить на опыте, под­считав общее число темных и светлых колец, что всегда дает целое, чис­ло. Приравнивание, как правило, нецелого числа зон Френеля к целому числу темных и светлых колец и несет в себе основную ошибку метода. Ионы меди обладают сравнительно большой массой, m=1,05·10^{-25 кг (это почти в 100 раз больше, чем масса протона и примерно в 100 тысяч раз больше массы электрона), однако скорость их направленного движения в электролите под действием электрического поля очень мала (всего не­сколько см в час). Поэтому волновые свойства потока ионов в электроли­те можно легко наблюдать на опыте. В работе при вычислении длины волны по формуле де Бройля (1) необходимо знать скорость направленного движения ионов меди. Ее можно определить по формуле}

, (3)

где – разность потенциалов между электродами,

– расстояние между ними (рисунок 2),

b-подвижность ионов.

Подвижность ионов (b) равна скорости переносного движения ионов при напряженности поля в электролите, равной 1В/м; Подвижность ионов зависит от концентрации раствора и температуры электролита. Для раство­ров слабой концентрации, находящихся при комнатной температуре, подвижность ионов меди можно принять равной

, м² /(В.с).

Описание установки

Основной частью установки по наблюдению ионов меди является электролитическая ванна, состоящая из стеклянного сосуда, наполненно­го водным раствором медного купороса CuSO₄ и двух электродов - мед­ного (1)-анод и угольного (2)-катод (рисунок 2). К катоду при помощи двух резиновых колец (3) крепится диафрагма (4) с круглыми отверстиями (5). Между поверхностью катода и диафрагмой образован зазор при помощи прокладок (6), которые приклеены к диафрагме. Если при помощи ключа К замкнуть батарею аккумуляторов Б на электроды электролитической ванны, то в электролите возникает электрическое поле, направленное от анода к катоду. Положительно заряженные ионы меди устремляются к катоду и, пройдя сквозь, отверстия в диафрагме, в результате дифракции осядут на катоде не сплошным пятном, а в виде отдельных колец, полно­стью повторяющих картину дифракции света на круглом отверстии.

Рис. 2

Порядок выполнения работы на компьютере

1.В главном меню программы нажмите на кнопку «Работа».

2. В установке первоначальное напряжение равно 4,5 В. Нажать на кнопку «Подать напряжение». Начинается процесс гидролиза.

3. После остановки заранее установленного времени на таймере нажать на кнопку «Результаты» или на кольца, получите увеличенное изображение колец, а также таблицы, которые необходимо заполнить. Нажатие на «Сводные таблицы» открывает данные всех проведенных измерений.

4. Нажать на кнопку «Назад», далее – «Подать другое напряжение», установить следующее напряжение «6 В» и продолжить действия согласно пункту 2.

5. Далее повторяем эксперимент с последующими значениями U = 7,5 В и 9 В, после чего проверяем все данные по «Сводной таблице».

Переходим к обработке результатов измерений.