Ряд установок для лабораторных работ (практикума) по атомной и ядерной физике.
Лабораторная установка СПЕКТР ГЕЛИЯ, ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
При изучении атомов с двумя и более электронами их спектры существенно отличаются от спектров одноэлектронных систем. Отличие состоит в том, что без учета тонкой структуры все синглетные уровни сдвинуты относительно триплетных уровней (смотри спектр гелия). Этот сдвиг между уровнями с одинаковым главным и орбитальным квантовыми числами (например, между 2s1S0 и 2s3S1) называется обменным расщеплением и обусловлен чисто квантовым явлением – ПРИНЦИПОМ ТОЖДЕСТВЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ, в данном случае двух электронов. В силу их абсолютной неразличимости волновая функция системы должна учитывать обмен состояниями, что и приводит к так называемому обменному взаимодействию и, соответственно, расщеплению уровней.
Работа посвящена экспериментальному определению обменного взаимодействия и сравнению его с теоретически вычисленным.
Установка состоит из:
1. Лампы ДРГС-12 с блоком питания
2. Автоматизированного монохроматора МУМ-1(А)
3. Компьютера, записывающего в режиме ON-LINE спектры ртути и гелия
4. Специализированного программного обеспечения для проведения калибровки спектрометра и обработки спектра с определением обменных расщеплений 2S и 2P уровней в спектре гелия.
Спектр излучения лампы ДРГС-12 (He + Hg)
Список рекомендуемых упражнений:
По спектру ртути произвести калибровку прибора
Измерить в спектре гелия следующие уровни и по ним определить обменное взаимодействие:
2s - 3р триплет
2s - 3p синглет
2p - 3s триплет
2p - 3s синглет
2p - 3d триплет
2p - 3d синглет
2p - 4s триплет
2p - 4s синглет
2p - 4d триплет
2p - 4d синглет
Произвести теоретический расчет обменного взаимодействия и сравнить с экспериментальными результатами
Лабораторная задача "Спектр Гелия. Обменное взаимодействие" работает в режиме on-line.
Лабораторная задача ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА
Опыт Резерфорда - классический опыт, демонстрирующий ядерное строение атома. Метод исследования состоит в измерении углового распределения рассеянных альфа-частиц на тонких мишенях.
Определяется дифференциальное сечение рассеяния альфа-чатиц на ядрах золота.
УЛК ОР сопровождается методическим описанием и является полностью подготовленной для учебного процесса лабораторной задачей. Методическое описание содержит физику явления, методические и технические сведения, необходимые для выполнения работы.
Аппаратная часть установки демонстрирует устройство и принцип работы камеры рассеяния альфа-частиц.
Основные узлы УЛК:
Источник альфа-частиц,
Мишень из золотой фольги,
Подвижный детектор альфа-частиц.
Узлы УЛК находятся в корпусе под прозрачной панелью, позволяющей наблюдать за ходом эксперимента. Органы управления выведены на переднюю панель.
Программное обеспечение позволяет производить подсчет альфа-частиц под различными углами рассеяния,
Окно контроля параметров эксперимента
проводить расчет дифференциального сечения, строить графики экспериментальных результатов.
График зависимости дифференциального сечения от угла рассеяния
Список рекомендуемых упражнений:
Подготовка эксперимента. Определение необходимой точности измеряемых величин;
Измерение дифференциального сечения рассеяния;
Вычисление теоретических значений дифференциального сечения рассеяния;
Математическая обработка результатов эксперимента и построение графиков.
Лабораторная установка РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТРОМЕТР
Лабораторная установка "Рентгеновский спектрометр" предназначена для изучения природы и свойств рентгеновского характеристического излучения.
Комплекс состоит из управляющего блока (прибора) и программного обеспечения, позволяющего записывать рентгеновские спектры и обрабатывать их на персональном компьютере.
Аппаратная часть установки демонстрирует устройство и принцип работы рентгеновского спектрометра.
Прибор представляет собой сочетание двух спектрометров: полупроводникового детектора (ППД) и кристалл-дифракционного спектрометра (КДС), размещенных в одном корпусе.
Основные узлы прибора расположены в одном корпусе:
Рентгеновская трубка,
Камера альфа-источника,
ППД и КДС-блоки,
Диск с образцами
На передней панели прибора находятся кнопки управления.
На экране компьютера можно наблюдать набор спектров 27 различных образцов:
1. Титан Z=22
2. Железо (Fe55) Z=26
3. Железо Z=26
4. Кобальт (Co57) Z=27
5. Никель Z=28
6. Медь Z=29
7. Галлий Z=31
8. Германий Z=32
9. Селен Z=34
10. Ниобий Z=41
11. Молибден Z=42
12. Серебро Z=47
13. Индий Z=49
14. Церий Z=58
15. Гадолиний Z=64
16. Сурьма Z=51
17. Тантал Z=73
18. Вольфрам Z=74
19. Платина Z=78
20. Золото Z=79
21. Свинец Z=82
22. Висмут Z=83
23. Радий (Ra226) Z=88
24. Америций (Am241) Z=95
25. Ванадий-Висмут
26. Платина-Хром
27. Манганин-Индий
Установка сопровождается программным обеспечением, позволяющим выполнять ряд лабораторных задач, и методическим описанием:
1. Свойства рентгеновского излучения
Спектр L-серии серебра
В этом разделе измеряются характеристики различных рентгеновских спектрометров, положение и ширина линий. На основании полученных экспериментальных данных в последующих разделах строятся графики Мозли и определяются экспериментально уровни энергии и переходы.
2. Закон Мозли
Цель задачи - изучение закона Мозли.
В данном разделе определяется зависимость энергетического положения определенных спектральных линий нескольких различных элементов, принадлежащих одной и той же серии, от их атомного номера, и на основании полученных данных строятся графики Мозли для K- и L-серий.
Графики, демонстрирующие закон Мозли
3. Тонкая структура атомных уровней
Цель данного раздела - изучение структуры внутренних уровней многоэлектронных атомов.
В этом разделе измеряется энергия различных спектральных линий определенного элемента, и на основании полученных данных строится диаграмма переходов (соответствующих найденным спектральным линиям) и энергетических уровней.
Диаграмма экспериментально полученных уровней энергии и переходов
Спектры воспроизводятся из базы данных, поставляемой с УЛК. Программа обработки спектров позволяет определять энергию спектральных линий, используя подпрограмму разрешения близколежащих линий гауссианами (фитинг), идентифицировать спектральные линии, строить диаграммы Мозли и исследовать структуры энергетических уровней.
Демонстрация математических методов выявления не разрешенных спектрометром линий
На рисунке изображены три линии спектра серебра, разрешенные с помощью фитинга.
Список рекомендуемых упражнений:
Получение спектров отдельных элементов.
Обработка полученных спектров. Определение энергии и длины волны линий.
Определение разрешающей способности спектрометров.
Построение диаграмм Мозли.
Построение уровней энергии по данным эксперимента.
Лабораторная установка ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА
Опыт Франка и Герца - классический опыт, демонстрирующий дискретную структуру энергетических уровней атома.
УЛК "Опыт Франка и Герца" состоит из прибора на основе трехэлектродной лампы и программного обеспечения, позволяющего проводить эксперимент при различных значениях параметров и обрабатывать его результаты на компьютере.
Установка сопровождается методическим описанием и представляет собой полностью подготовленную для учебного процесса лабораторную задачу. Методическое описание содержит описание физики явления и дополнительные сведения, необходимые для выполнения работы.
Прибор (аппаратная часть УЛК ОФГ) состоит из двух блоков: лампового блока и блока управления (смонтированных в одном корпусе).
В ламповом блоке находится трехэлектродная лампа ПМИ-2, предназначенная для изучения опыта в парах ртути.
На верхней панели прибора изображена электрическая схема прибора и расположены кнопки включения блоков и управления режимом работы лампы. На передней панели расположены кнопки изменения температурного режима и окно для визуального контроля работы лампы.
Блок управления подает необходимые напряжения на электроды лампы. Жидкокристаллический индикатор фиксирует ток и напряжения в различных электрических цепях.
Предусмотрены два способа проведения эксперимента: с использованием компьютера и без него.
В первом случае на экране компьютера наблюдаются вольт-амперные характеристики при различных режимах подогрева лампы, во втором случае графики вольт-амперных характеристик строятся по точкам, по значениям, полученным на индикаторе прибора.
Программное обеспечение позволяет производить запись вольт-амперных характеристик электронных ламп с визуальным контролем процесса записи, сохранение полученных результатов на диске компьютера и обработку полученных данных. Экспериментальные данные берутся из базы данных, поставляемой с УЛК.
Окно контроля параметров эксперимента
Программа обработки позволяет измерять положения максимумов и расстояние между ними, проводить стандартную обработку результатов опыта. Пользователю предоставляется необходимая информация (прикладного и методического характера) в виде окон подсказки и справки. В трудных случаях и в случае ошибки программа обеспечивает подсказку по методике и технике проведения эксперимента.
Список рекомендуемых упражнений:
Получение вольт-амперных характеристик зависимости анодного тока от ускоряющего поля (для различных плотностей ртутного пара в электронной лампе);
Получение вольт-амперных характеристик задержки;
Обработка результатов эксперимента:
определение резонансных потенциалов,
дифференцирование кривых задержки и определение функций распределения электронов по энергиям.
Лабораторная установка "Опыт Франка и Герца" работает в режиме off-line.
Лабораторная установка ЭФФЕКТ КОМПТОНА
Лабораторная установка "Эффект Комптона" предназначена для проведения классического эксперимента по демонстрации корпускулярных свойств электромагнитного излучения.
Метод исследования состоит в определении изменения длины волны гамма-квантов при их рассеянии ("комптоновского сдвига").
Установка сопровождается методическим описанием и является полностью подготовленной для учебного процесса лабораторной задачей. Методическое описание содержит физику явления, методические и технические сведения, необходимые для выполнения работы.
Опыт по изучению эффекта Комптона демонстрирует корпускулярные свойства гамма-излучения.
Основные узлы прибора:
Источник гамма-квантов,
Рассеиватель,
Сцинтиляционный гамма-спектрометр.
Все узлы находятся в корпусе под прозрачной панелью, позволяющей наблюдать за ходом эксперимента. Органы управления выведены на переднюю панель.
Программное обеспечение позволяет производить набор спектров под различными углами рассеяния,
Спектр рассеяния гамма-квантов на мишени, состоящей из атомов легких элементов
их обработку, расчитывать энергии спектральных линий и суммарную статистику спектра, проводить расчет "комптоновского сдвига" и анализ результатов эксперимента.
График зависимости "комптоновского сдвига" от угла рассеяния
Список рекомендуемых упражнений:
Исследование спектра излучения Cs137;
Определение энергии квантов по линии полного поглощения;
Определение величины комптоновского смещения;
Математическая обработка результатов и построение графиков.
Лабораторная установка "Эффект Комптона" работает в режиме off-line.
Экспериментальная установка МЕССБАУЭРОВСКИЙ СПЕКТРОМЕТР
Эффект Мессбауэра - современный физический эксперимент, демонстрирующий явление резонансного поглощения гамма-квантов без отдачи в твердых телах.
На основе этого эффекта работают Мессбауэровские спектрометры, позволяющие с большой точностью измерять положение ядерных спектральных линий поглощения.
Это дает возможность исследовать сверхтонкую структуру гамма-спектров, возникающую из-за взаимодействия ядра с атомными электронами.
Метод позволяет изучать разделы как атомной, так и ядерной физики.
Установка состоит из аппаратной части (спектрометра), программы записи и обработки мессбауэровских спектров и методического описания, которое содержит физику явления и всю информацию, необходимую для выполнения работы.
Аппаратная часть установки "Эффект Мессбауэра" демонстрирует устройство и принцип работы мессбауэровского спектрометра.
В верхней части корпуса прибора под стеклянной панелью расположены основные узлы прибора:
Вибратор,
Диск с набором поглотителей,
Фотоумножитель.
На передней панели прибора расположены кнопки управления, а на боковой части - ручка смены поглотителя.
На экране компьютера можно наблюдать набор спектров пяти различных исследуемых веществ (поглотителей).
Программное обеспечение позволяет производить набор амплитудного спектра и спектра поглощения (скоростного спектра) с визуальным контролем процесса набора, запись полученных спектров на диск компьютера и их обработку.
В выбранной математической модели производится расчет положения и ширины спектральных линий и расстояния между ними (используя критерий согласия хи-квадрат).
На рисунке изображен спектр, являющийся результатом сверхтонкого магнитного взаимодействия между ядром и электронами (ядерный эффект Зеемана), линии которого аппроксимированы функцией Лоренца.
Список рекомендуемых упражнений:
Провести оценки отдачи ядер и ширину спектральных линий.
Зарегистрировать амплитудный спектр радиоактивного Co-57.
Зарегистрировать и математически обработать скоростные спектры различных веществ.
Исследовать форму линии мессбауэровского спектра.
Изучить магнитное сверхтонкое взаимодействие и определить величину магнитного поля, создаваемого электронами на ядре.
Лабораторная работа "Физические основы спектрального анализа"
( в процессе разработки)
Целью работы является определение основных физических характеристик монохроматора (диффракционного спектрометра) и определение основных его параметров, используя спектр натриевой лампы.
Установка состоит из:
1. Лампы ДНаС-18 с блоком питания
2. Автоматизированного монохроматора МУМ-1(А)
3. Компьютера, записывающего необходимые спектры в режиме ON-LINE
4. Специализированного программного обеспечения для проведения калибровки спектрометра и обработки спектра натрия
Контакты:
8(495) 939 38 15
kliv@srd.sinp.msu.ru
Белавин Владимир Анатольевич
Сайт: http://umk.sinp.msu.ru/
Структурные подразделения: