Inhaltsverzeichnis 1 2 Einführung 1 Versuchsdurchführung 1 2.1 Relevante Gröÿen und Messunsicherheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2.2 Eektive Feldängen der Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2.3 Bestimmung der spezischen Ladung des Elektrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.3.1 Wien-Filter 3 2.3.2 Thomson'sche Parabelmethode 2.3.3 Methode nach Busch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Mittelwertbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3 Fehler- und Ergebnisdiskussion 10 4 Literatur 11 A Datenaufnahme während des Versuchs 12 1 Einführung Im zu bearbeitenden Experiment soll das Verhalten von Elektronen in elektrischen und magnetischen Feldern untersucht und schlieÿlich deren spezische Ladung e/me ermittelt werden. Mittels Benutzung einer Braun'schen Röhre wird ein durch elektrische und magnetische Felder abgelenkter Elektronenstrahl auf einen Schirm projiziert. Zur Ermittlung der spezischen Ladung wird sich der Methode des Wien-Filters, der Thomson'schen Parabelmethode und der Methode nach Busch bedient und die Ezienz der Verfahren verglichen. Die Erkenntnisse und Prozeduren dieses Versuches bilden die Grundlage heutiger Teilchenphysik, wie sie z.B. in Beschleunigern betrieben wird. Eine detaillierte Beschreibung von Versuchsaufbau und -durchführung ndet sich in [1], S. 37-41. 2 Versuchsdurchführung 2.1 Relevante Gröÿen und Messunsicherheiten Im Versuch werden Längenmessungen sowie Messungen von Strom und Spannungen mithilfe digitaler Messgeräte durchgeführt. Die Unsicherheiten von Strom- bzw. Spannungsmessung wurde gegeben als uMW = 5% · Messwert + 1 Digit. Die Längenmessungen am Schirm waren mit einer Ableseunsicherheit eines halben Skalenteils, also ux = 0.5 mm behaftet. Von Bedeutung sind weiterhin die in Tabelle 1 gegebenen Werte, die in [1], S.40, bzw. am Versuchsplatz angegeben wurden. Gröÿe Wert Mittlerer Plattenabstand der Kondensatoren dx = (3.9 ± 0.1) mm dx = (3.9 ± 0.1) mm Lx = (216 ± 1) mm Ly = (253 ± 1) mm Lm = (216 ± 1) mm l = (743 ± 1) mm K = (2.01 ± 0.08) · 10−4 N = 2190 Abstand der Feldmitte des Feldes in Abstand der Feldmitte des Feldes in x-Richtung zum Schirm y -Richtung zum Schirm Abstand der Mitte des magnetischen Querfeldes zum Schirm Länge der Spule zur Erzeugung des Längsfeldes Apparatekonstante Windungen der Spule zur Erzeugung des Längsfeldes Vs Am Tabelle 1: Für die Auswertung benötigte Gröÿen 2.2 Eektive Feldängen der Kondensatoren Zuerst wurden nur Messungen für Ablenkungen durch die Kondensatorplatten vollzogen. Nach [1], S. 38 gilt für die Ablenkung des Elektronenstrahls auf dem Schirm in i= li Li ·Ui , 2di UB | {z } mit i-Richtung i = x, y (1) =Ali Mithilfe dieser Gleichung lässt sich über die Messwerte eine gewichtete Regression der Form i(Ui ) = Ali · Ui 1 (2) Parameter χ2 -Test Bestimmtheitsmaÿ x-Richtung Alx = (0.401 ± 0.002) mm/V χ2 = 0.37 d.o.F R2 = 0.9995 y -Richtung Aly = (0.527 ± 0.002) mm/V χ2 = 0.09 d.o.F R2 = 0.9999 Tabelle 2: Ergebnisse der Regressionen -20 0 20 40 60 80 100 120 Ablenkung in horizontaler Richtung x [mm] 50 50 Messwerte Regression der Form x(Ux) = A lx · Ux , mit A lx = ( 0.401 ± 0.002 ) mm/V χ 2/d.o.F. = 0.37 R² = 0.9995 40 30 40 30 20 20 10 10 0 0 -10 -10 -20 0 20 40 60 80 100 Spannung des elektrischen Feldes in horizontaler Richtung Ux [V] Abbildung 1: Regression für das E-Feld in -20 0 20 40 120 x-Richtung 60 80 Ablenkung in vertikaler Richtung y [mm] 40 30 20 40 Messwerte Regression der Form y(Uy) = A ly · Uy , mit A ly = ( 0.527 ± 0.002 ) mm/V χ 2/d.o.F. = 0.09 R² = 0.9999 30 20 10 10 0 0 -10 -10 -20 0 20 40 60 Spannung des elektrischen Feldes in vertikaler Richtung Uy [V] Abbildung 2: Regression für das E-Feld in 2 y -Richtung 80 durchführen. Die Regressionen liefern die in Tabelle 2 dargestellten Werte. Die Graphen der Regressionen sind in Abb. 1 und 2 ersichtlich. Am χ2 , das für beide Regressionen in einer Gröÿenordnung nahe 1 liegt, und einem Bestimmtheitsmaÿ, das fast 1 ist, kann man sehen, dass die Regressionen gelungen sind. Während der Messungen wurde die Beschleunigungsspannung bei UB = (1800 ± 90) V gehalten. Aus Gleichung (1) folgt für die eektiven Feldlängen li = 2Ali di UB . Li Die Unsicherheit der Gröÿen ergibt sich aus der Gauÿ'schen Fehlerfortpanzung zu s ∂li 2 ∂li 2 ∂li 2 + udi + uUB + uLi uli = ∂di ∂UB ∂Li s 2 2 2 2 2di UB 2Ai liUB 2Ali di −2Ali di UB uli = uAli + udi + uUB + uLi Li Li Li L2i √ ulx = 0.01 + 0.07 + 1.74 + 0.01 mm ∂li uAli ∂Ali 2 = 2 mm √ uly = 0.01 + 0.08 + 1.76 + 0.01 mm = 2 mm. Wie man sieht, hat die hohe Unsicherheit der Beschleunigungsspannung den weitaus gröÿten Anteil an der resultierenden Unsicherheit. Die eektiven Feldlängen lauten lx = (26 ± 2) mm ly = (26 ± 2) mm. 2.3 Bestimmung der spezischen Ladung des Elektrons 2.3.1 Wien-Filter Hier kommen das magnetische Längsfeld sowie das elektrische Feld in I verursachte r e Kdx · ·I Ux = 2UB me lx [1], S. 38 wird die durch das Magnetfeld des Stromes x-Richtung zum Einsatz. Nach Auslenkung durch die Spannung (3) kompensiert. Mit der Regressionsfunktion Ux (I) = Awj · I, mit j = 1, 2, 3 (4) lässt sich schlieÿlich die spezische Ladung errechnen zu Awj lx2 e = , me 2K 2 UB d2x wobei drei verschiedene Beschleunigungsspannungen UB verwendet wurden. Die Regressionsgraphen und ermittelten Werte sind den Abbildungen 3, 4 und 5, bzw. der Tabelle 3 zu entnehmen. 3 (5) Spannung UB Parameter χ2 -Test Bestimmtheitsmaÿ Regression 1 Regression 2 Regression 3 (1200 ± 60) V Aw1 = (−553 ± 6)V/A χ2 = 1.1 d.o.F 2 R = 0.997 (1600 ± 80) V Aw2 = (−573 ± 6)V/A χ2 = 0.4 d.o.F 2 R = 0.999 (2000 ± 100) V Aw3 = (−610 ± 20)V/A χ2 =7 d.o.F 2 R = 0.97 Tabelle 3: Ergebnisse der Regressionen 0 0,02 0,04 0,06 Ausgleichsspannung Ux [V] 0 0,08 0,1 Messwerte Regression der Form Ux(I) = A w1 · I , mit A w1 = ( -553 ± 6 ) V/A χ²/d.o.F. = 1.1 R² = 0.997 -10 -20 -10 -20 -30 -30 -40 -40 -50 -50 -60 -60 0 0,02 0,04 0,06 Spulenstrom I [A] Abbildung 3: Regression für Wien-Filter mit 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 UB = (1200 ± 60) V 0,08 0,1 Messwerte Regression der Form Ux(I) = A w2 · I , mit A w2 = ( -573 ± 6 ) V/A χ²/d.o.F. = 0.4 R² = 0.999 0 Ausgleichsspannung Ux [V] 0 0 -20 -20 -40 -40 -60 -60 0 0,02 0,04 0,06 Spulenstrom I [A] Abbildung 4: Regression für Wien-Filter mit 4 0,08 0,1 UB = (1600 ± 80) V 0 0,02 0,04 0,06 0,1 Messwerte Regression der Form Ux(I) = A w3 · I , mit A w3 = ( -610 ± 20 ) V/A χ²/d.o.F. = 7 R² = 0.97 0 Ausgleichsspannung Ux [V] 0,08 0 -20 -20 -40 -40 -60 -60 0 0,02 0,04 0,06 Spulenstrom I [A] 0,08 Abbildung 5: Regression für Wien-Filter mit 0,1 UB = (2000 ± 100) V Als Beispiel für die anderen Unsicherheiten wird exemplarisch die Unsicherheit des durch die erste Regression ermittelte spezische Ladung berechnet. Nach Gauÿ gilt p α+β+γ+δ+ 2 2 Aw1 lx2 18 As α= u = 7.3 · 10 A UB d2x K 2 w1 kg 2 2 −A2w1 lx2 10 As β= uK = 1.12 · 10 UB d2x K 3 kg 2 2 −A2w1 lx2 18 As uU = 52 · 10 γ= kg 2UB2 d2x K 2 B 2 2 2 2 As −Aw1 lx = 52 · 1018 δ= udx 3 2 UB dx K kg 2 2 2 Aw1 lx As = ulx = 215 · 1018 UB d2x K 2 kg ue/me = ⇒ ue/me = 2 · 1010 As kg . Wie man sieht hat die Gerätekonstante den geringsten Einuss auf die Messunsicherheit. Die Regressionsgröÿe ist ebenfalls gering beteiligt, Beschleunigungsspannung und Plattenabstand haben gleichen Einuss und weitaus gröÿte Beteiligung geht vom Term der eektiven Feldlänge aus. Den Werten von χ2 und R2 entnimmt man, dass die ersten beiden Regressionen als zuverlässiger einzustufen sind als die Dritte. Als letztliche Endwerte dieses Teils ergeben sich (e/me )1 = (1.4 ± 0.2) (e/me )2 = (1.1 ± 0.2) (e/me )3 = (1.0 ± 0.2) 5 As kg As kg As kg . 2.3.2 Thomson'sche Parabelmethode Hier stehen sowohl E- also auch B-Feld in y -Richtung. Dadurch wird der Elektronenstrahl abgelenkt gemäÿ einer Parabel, quantitativ y= Uy ly Ly me 1 · · 2 2 · x2 . 2 dy Lm e K I Es lassen sich nun für verschiedene Wertepaare von I und Uy (6) Parabeln auftragen. Da sich jedoch nicht genau feststellen lässt, wann der Elektronenstrahl im Ursprung liegt, wird ein Oset yA0 berücksichtigt, sodass eine Regressionsfunktion die Form y(x2 ) = Apj x2 − yA0 (7) hat. Für eine spätere Auswerting hat der Oset jedoch keine Bedeutung. Die Fehler von x panzen sich gemäÿ Gauÿ'schem Gesetz fort zu ux2 = 2xux . Die Messwerte sind wie alle anderen Messwerte dem Datenblatt im Anhang zu entnehmen. Es ergeben sich die in Abbildung 6, 7 und 8 dargestellten Graphen mit den in Tabelle 4 bezeichneten Werten. Uy Strom I −2 mm− 1] [10 χ2 -Test Spannung Parameter Apj Bestimmtheitsmaÿ Regression 1 Regression 2 Regression 3 (18 ± 1) V (90 ± 6) mA (1.39 ± 0.05) χ2 = 1.04 d.o.F R2 = 0.99 (18 ± 1) V (50 ± 4) mA (4.6 ± 0.3) χ2 = 2.74 d.o.F R2 = 0.98 (18 ± 1) V (64 ± 5) mA (2.6 ± 0.2) χ2 = 1.56 d.o.F R2 = 0.99 Tabelle 4: Ergebnisse der Regressionen Vertikale Auslenkung y [mm] 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600 25 25 20 20 15 Messwerte Regression der Form y(x 2) = A p1 · ( x² - y A0 ), mit A p1 = ( 1.39 ± 0.05 ) · 10-2 1/mm y A0 = ( -260 ± 50 ) mm² χ²/d.o.F. = 1.04 R = 0.99 10 400 600 800 1.000 1.200 1.400 Quadrat der horizontalen Auslenkung x² [mm²] Abbildung 6: Regression für das erste Wertepaar 6 15 10 1.600 Vertikale Auslenkung y [mm] 100 150 200 250 300 350 400 450 500 25 25 20 20 Messwerte Regression der Form y(x 2) = A p2 · ( x² - y A0 ), mit A p2 = ( 4.6 ± 0.3 ) · 10-2 1/mm y A0 = ( -100 ± 30 ) mm² χ²/d.o.F. = 2.74 R² = 0.98 15 10 100 150 15 10 200 250 300 350 400 Quadrat der horizontalen Auslenkung x² [mm²] 450 500 Abbildung 7: Regression für das erste Wertepaar 300 Vertikale Auslenkung y [mm] 25 20 400 500 600 700 800 900 25 Messwerte Regression der Form y(x 2) = A p3 · ( x² - y A0 ), mit A p3 = ( 2.6 ± 0.2 ) · 10-2 1/mm y A0 = ( -8 ± 4 ) mm² χ²/d.o.F. = 1.56 R = 0.99 20 15 15 10 10 300 400 500 600 700 Quadrat der horizontalen Auslenkung x² [mm²] 800 Abbildung 8: Regression für das erste Wertepaar 7 900 Durch Vergleich von (6) und (7) ergibt sich die Beziehung Uy Ly ly e = 2 . me Lm Apj K 2 I 2 dy (8) Exemplarische Rechnung der Gauÿ'schen Fehlerfortpanzung für die erste Regression ergibt p α+β+γ+δ++η+θ+κ 2 2 ly Ly As 18 α= uU = 80 · 10 Apj I 2 dy L2m K 2 y kg 2 2 Uy Ly As β= uly = 70 · 1018 2 2 2 Apj I dy Lm K kg 2 2 Uy ly As γ= uLy = 0.4 · 1018 2 2 2 Apj I dy Lm K kg !2 2 −Uy ly Ly As uApj = 33 · 1018 δ= 2 2 2 2 kg Apj I dy Lm K 2 2 −2Uy ly Ly As = uI = 387 · 1018 Apj I 3 dy L2m K 2 kg 2 2 −Uy ly Ly As udy η= = 21 · 1018 2 2 2 2 Apj I dy Lm K kg 2 2 −2Uy ly Ly As uLm = 2 · 1018 θ= 2 3 2 Apj I dy Lm K kg 2 2 −2Uy ly Ly As κ= uK = 164 · 1018 2 2 3 Apj I dy Lm K kg ue/me = ⇒ ue/me = 3 · 1010 As kg . Die gröÿten Anteile an der Unsicherheit kommen dieses Mal aus der Apparatekonstante und dem Spulenstrom. Damit ergeben sich für die spezischen Ladungen dieses Teils (e/me )4 = (1.6 ± 0.3) (e/me )5 = (1.6 ± 0.3) (e/me )6 = (1.7 ± 0.3) As kg As kg As kg . 2.3.3 Methode nach Busch Hier wird nun eine Längsspule mit Strom I verwendet. Zuerst wurde für die Position des Schirms der Punkt gesucht, an dem eine möglichst kleine Kreisgur des Elektronenstrahls entstand. Durch Verstellen der Beschleunigungsspannung änderte sich die Fokussierung des Strahls, welche durch eine Regulierung des Spulenstromes wieder ausgeglichen wurde. Es gilt die Beziehung UB = µ20 e L2x N 2 2 ·I , 8π 2 me l2 als Regressionsfunktion also UB (I 2 ) = AB · I 2 , 8 womit schlieÿlich l2 8π 2 e = AB · 2 · 2 2 me µ0 Lx N gilt. Die Regression liefert die folgenden Werte AB = (1520 ± 20) V/A2 , χ2 d.o.F. = 0.2, und R2 = 0.99, sowie Abb. 9. Beschleunigungsspannung UB [V] 0,6 2.000 0,8 1 1,2 1,4 Messwerte Regression der Form UB(I²) = A B · I², mit A B = ( 1520 ± 20 ) V/A² χ²/d.o.F. = 0.2 R² = 0.99 2.000 1.500 1.500 1.000 1.000 0,6 0,8 1 1,2 Quadrat des Spulenstroms der Längsspule I² [A²] 1,4 Abbildung 9: Regression der Methode nach Busch Zur Unsicherheitenermittlung dient wiederum die Gauÿ'sche Fehlerfortpanzung. Es ergibt sich s ue/me ∂e/me 2 ∂e/me 2 ∂e/me 2 = uAB + ul + uLx ∂AB ∂l ∂Lx s 2 2 2 8π 2 l2 2AB l 2AB l2 + = 2 2· uA ul + − uLx L2x B L2x L3x N µ0 p As = 1.8 · 1018 + 0.3 · 1018 + 3 · 1018 kg = 3 · 10 9 As kg . Die einzelnen Unsicherheitenterme sind ungefähr in der gleichen Gröÿenordnung. Als spezische Ladung folgt nun (e/me )7 = (1.87 ± 0.03) 9 As kg . 2.4 Mittelwertbildung Tragen wir vorerst die Ergebnisse in einem Diagramm (Abb. 10) zusammen. 2,4x10 11 Spezifische Ladung des Elektrons e/me [As/kg] 2,2x10 11 2,4x10 11 Ermittelte Werte Mittelwert mit Größtfehlerabschätzung Unzulässig gebildetes gewichtetes Mittel 2,2x10 11 2,0x10 11 2,0x10 11 1,8x10 11 1,8x10 11 1,6x10 11 1,6x10 11 1,4x10 11 1,4x10 11 1,2x10 11 1,2x10 11 1,0x10 11 1,0x10 11 8,0x10 10 8,0x10 10 6,0x10 10 6,0x10 10 Abbildung 10: Ergebniszusammenstellung und Mittelwertbildung Da einige der Ergebnisse nicht konsistent sind, kann eine gewichtete Mittelwertbildung nicht verwendet werden. Führte man sie trotzdem nach [2] S. 47 durch, so erhielte man einen Wert von e = 1.8202733(36) · 1011 me As kg , welcher oensichtlich zu sehr vom Wert aus der Busch-Methode dominiert ist und eine viel zu geringe Unsicherheit besitzt. Aufgrund der Unzulässigkeit wird eine normale Mittelwertbildung mit Gröÿtfehlerabschätzung vollzogen. Der entstehende Endwert lautet e = (1.5 ± 0.7) · 1011 me As kg . 3 Fehler- und Ergebnisdiskussion Vergleicht man die einzelnen Ergebnisse mit dem Referenzwert e/me = 1.7588202 · 1011 Askg − 1 aus [5], so stellt man überraschenderweise fest, dass die Parabelmethode die Werte am nächsten dem Referenzwert liefert. Trotz der unsauberen Aufzeichnung mit einem zu groÿen Stift scheinen die Messwerte mit der modizierten Regressionsfunktion bessere Werte zu liefern. Trotzdem scheint die gewählte Ableseunsicherheit bezüglich des Koodrdinatensystems zu klein. Eine genaue Markierung mit dem gegebenen Stift ist kaum ohne Unsicherheit von 1 mm möglich. Die Methode nach dem Wien-Filter bringt Resultate, die nicht in Konsistenz mit dem Referenzwert sind. Hier spielt vor allem die ermittelte eektive Feldlänge eine Rolle. Würde diese sicherer als mit einer Unsicherheit von rund 10% bestimmt werden können, ergäbe sich ein genaueres Ergebnis bezüglich der spezischen Ladung. Doch schaut man auf die Graphen, so zeigt sich, dass die Anstiege gemäÿder Unsicherheiten der Messwerte eigentlich ein viel gröÿeres Spiel haben. Durch die groÿen relativen Unsicherheiten der elektrischen Gröÿen von 5% ist eine steiler fallende Gerade möglich, die die Ergebnisse entsprechend nach oben korrigieren würde. Vermutlich liegt in diesem Teil des Versuches eine nichtberücksichtigte systematische Abweichung vor. 10 Die Methode nach Busch bringt in Bezug auf die Unsicherheit das genaueste Resultat. Trotzdem stimmt es innerhalb seiner Grenzen nicht mit dem Referenzwert überein. Wiederum scheint hier eine nichtbeachtete systematische Abweichung vorzuliegen. Grund könnte sein, dass der Schirm nicht wie im Skript gefordert auf die entsprechende Position eingestellt wurde, sondern stattdessen die Position gesucht wurde, in der bei Verstellen des Stromes der Elektronenstrahl eine minimale Abweichung zur Ausgangsposition einnahm. Möglicherweise war das Feld der Längsspule also nicht homogen. Als gröÿte Unsicherheiten des Versuches sehe ich wie gesagt die hohen relativen Fehler der elektrischen Messgröÿen. Dadurch werden die Messgröÿen hoher Werte sehr unsicher und in einer Regression von QtiPlot weniger berücksichtigt. Eine Installation neuerer und genauerer Messinstrumente brächte sicher eine höhere Genauigkeit. Weiterhin muss die Messskala direkt auf dem Schirm befestigt werden. Durch den Abstand zwischen Schirm und Skala lieÿ sich schwer ein Fixpunkt für die Messung nden. Durch leichte Veränderung des Blickpunktes stellte sich schon eine Veränderung des Messwertes um die ganze Ableseunsicherheit von 0.5 mm ein. Dadurch entsteht eine in diesem Versuch nicht berück- sichtigte systematische Abweichung, die die Abweichung der Resultate erklären könnte. Montierte man die Skala direkt am Schirm, würden exakte Ergebnisse ermöglicht. Alles in Allem beurteile ich die Methode nach Busch als zuverlässigste, da Ergebnisse mit geringen Unsicherheiten möglich sind, allerdings sollte nach einer eektiveren Methode gesucht werden, den homogenen Teil des Magnetfeldes zu bestimmen. 4 Literatur [1] Skript: Physikalisches Grundpraktikum - Elektrodynamik und Optik von Dr. Uwe Müller, Berlin 2005 [2] Skript: Physikalisches Grundpraktikum - Einführung in die Messung, Auswertung und Darstellung experimenteller Ergebnisse in der Physik von Dr. Uwe Müller, Berlin 2007 [3] Chi-Quadrat http://www-com.physik.hu-berlin.de/∼bunk/kurs/matlab/uebungen.pdf, Prof. Bunk, Humboldt-Universität zu Berlin, Stand: 6.1.2009 [4] Bestimmtheitsmaÿ http://de.wikipedia.org/wiki/Bestimmtheitsma%C3%9F, Wikipedia Foundation, Stand: 6.1.2009 [5] Spezische Ladung http://de.wikipedia.org/wiki/Spezische_Ladung, Wikipedia Foundation, Stand: 16.1.2009 11 A Datenaufnahme während des Versuchs 12