冉绍尔-汤森.doc

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 实验B-5 冉绍尔-汤森【实验目的】1、 了解电子碰撞管的设计原则，掌握电子与原子的碰撞规则和测量的原子散射截面的方法。2、 测量低能电子与气体原子的散射几率Ps与电子速度的关系。3、 测量气体原子的有效弹性散射截面Q与电子速度的关系，测定散射截面最小是的电子能量。4、 验证冉绍尔-汤森效应，并学习用量子力学理论加以解释。【实验原理】一、 理论原理气体的总有效散射截面和碰撞电子的速度有关，氩原子对电子的弹性散射总有效截面Q随着电子能量的减小而增大，约在10eV附近达到一个极大值，而后开始下降，当电子能量减小到1eV左右时，有效散射截面Q出现一个极小值。结构上类似的气体原子或分子，总的有效散射截面对电子速度的关系曲线Q具有相同的形状。图1为氙（Xe），氪（Ke），氩（Ar）三种惰性气体的冉绍尔曲线。图1.Xe、Ke、Ar气体对电子的散射截面图2.测量气体原子总散射截面的原理图二、 测量原理图2为测量气体原子总散射截面的原理图，当灯丝加热后，就有电子从阴极逸出。设阴极电流为IK，电子在加速电压的作用下，一部分电子在到达栅极之前，被屏极接收，形成IS1；一部分穿过屏极形成电流I0，由于屏极上的矩形孔与板极P之间是一个等势空间，因此在这之间电子是恒速运动，受到气体原子散射的电子则到达屏极，形成散射电流IS2;未受到散射的电子到达板极P，形成半流IP，因此有IK=I0+IS1 （B-5-1）IS=IS1+IS2 （B-5-2）I0=IP+IS2 （B-5-3）电子在等势区内散射概率为：PS=1- （B-5-4） （B-5-5） （B-5-6）其中f为几何因子，为了测量f ，把电子碰撞管的管端部分侵入温度为77K的液氮中，此时，几何因子 (B-5-7) （B-5-8） （B-5-9）电子总有效界面Q和散射几率的关系为： （B-5-10）式中L为屏极隔离板矩形孔到板极之间的距离，并且 （B-5-11）因为L为一个常数，所以做和的关系曲线，即可以得到电子总有效散射截面与电子速度的关系。【实验装置】冉绍尔-汤森效应实验仪主机两台，电子碰撞管（包括管固定支架），低温容器（盛放液氮用，液氮温度77K），一台双踪示波器。【实验内容】1. 打开冉绍尔-汤森效应实验仪微电流计主机，打开电源组主机电源开关，将灯丝电压Ef调至2.63V，直流加速电压Ea调至0.00V，补偿电压Ec调至0.34V。2. 从09V逐渐增加加速电压Ea，列表记录每点对应的电流IP和Is的大小，根据公式（B-5-6）做PSEa的关系曲线图，测量低能电子与气体原子的散射几率PS随电子能量变化的关系。3. 画出Ef=2.63V下几何因子f随加速电压Ea的变化期限，分析两者的关系。4. 利用前面计算出PS值，测量Ef=2.00V下的IP和IS并计算几何因子f随加速电压Ea的变化，画出曲线，并与Ef=2.63V下的f比较。【注意事项】由于实验条件所限，没低温环境，因此，本实验忽略低温测量，即不需要测量和，这里直接给出Ef=2.63V和各Ea下的值。【数据记录及处理】将补偿电压Ec调至0.34V和1.80V，灯丝电压Ef调至2.63V，测量电流IP和Is的大小，数据见表1 。表1. 测量气体原子总散射截面数据EaIp*(A)Is*(A)Ip(A)Is(A)sqrt(Ea)Psf(Ef=2.63V)Ip(A)Is(A)Ps2011-07-210.2Ec=0.34vEc=1.80VEf=2.63VEf*=2.3V0.200.040.740.008 4.95 0.000.9690.05410.297 4.66 -0.1680.300.122.200.024 9.36 0.320.9510.05450.480 8.55 -0.0280.400.224.710.060 15.15 0.450.9120.04670.727 14.30 -0.0840.500.358.000.120 31.86 0.550.9100.04381.020 21.50 -0.0810.600.5113.40.219 30.00 0.630.8020.03811.250 29.24 -0.1180.700.6818.50.359 39.00 0.710.7430.03681.530 37.80 -0.0970.800.9225.90.550 48.76 0.770.6750.03551.820 47.46 -0.0770.901.1632.40.796 59.20 0.840.6160.03582.070 55.50 -0.0401.01.4339.91.09 70.30 0.890.5590.03582.330 66.60 0.0231.11.7548.71.41 82.30 0.950.5140.03592.550 78.50 0.0931.22.0758.01.63 91.60 1.000.4930.03572.740 90.80 0.1501.32.3967.91.91 104.50 1.050.4720.03522.910 103.60 0.1961.42.6876.52.13 117.70 1.100.4750.03503.050 118.10 0.2561.53.0488.02.29 131.50 1.140.4870.03453.150 131.50 0.2991.63.401002.40 145.40 1.180.5060.03403.240 145.70 0.3381.73.701122.48 160.40 1.220.5240.03303.300 159.30 0.3651.84.111262.54 175.50 1.260.5480.03263.350 174.60 0.4041.94.481392.58 190.30 1.300.5720.03223.380 189.50 0.4392.04.811512.61 206.50 1.340.5960.03193.400 206.00 0.4742.25.581802.64 238.10 1.410.6350.03103.410 238.10 0.5302.46.352072.63 271.30 1.480.6770.03073.390 268.50 0.5812.67.212382.61 303.50 1.550.7100.03033.350 301.40 0.6262.88.062692.58 335.20 1.610.7370.03003.310 334.50 0.6633.08.933002.55 368.30 1.670.7700.02983.270 368.00 0.6953.511.33802.47 450.60 1.820.8150.02973.180 451.50 0.7584.013.54702.42 522.00 1.950.8350.02873.150 524 0.7864.515.65602.42 605.00 2.070.8500.02793.180 603 0.8065.017.86582.47 690.00 2.190.8590.02713.260 691 0.8225.520.07662.57 782.00 2.300.8630.02613.420 781 0.8296.022.38732.74 864.00 2.410.8630.02553.660 865 0.8316.524.79812.96 961.00 2.510.8630.02523.970 956 0.8327.027.110843.24 1060.00 2.610.8620.02504.340 1058 0.8337.529.811993.57 1165.00 2.700.8600.02494.750 1163 0.8328.032.613023.97 1266.00 2.790.8570.02505.220 1265 0.8328.535.514064.43 1379.00 2.880.8540.02525.810 1378 0.8309.038.315024.96 1186.00 2.970.8330.02556.590 1486 0.822由公式求出f的值，再利用公式1作PSEa的关系曲线图。图4. PSEa的关系曲线图中黑色曲线为Ec=0.34V，红色曲线为Ec=1.80V时的曲线。从图中看出补偿电压Ec不同，散射几率的分布也不同，且补偿电压为0.34V的散射因子比补偿电压为1.80V的散射因子大。当补偿电压Ec=0.34V时，在加速电Ea为1.25V左右时，散射因子最小，当加速电压减小或增加时，散射因子都增加；当补偿电压Ec=1.80V时，在加速电压Ea为0.75左右时，散射因子为极小值，随着加速电压的增加，散射因子也增加，并且两条曲线的间隔逐渐减小，在大于9V时，两条曲线几乎重合。2f与Ea的变化曲线根据表1 中数据，作几何因子f随加速电压Ea的变化曲线。如图5 。图5. fEa曲线从图中看出，在电子能量在7V左右时几何因子最小，当Ea减小时，几何因子f随这电子能量的增加而减小，在1V左右时，几何因子f的变化较大。总体上几何因子的变化较平缓。进行线性拟合后得到Y = A + B1*X + B2*X2ParameterValueError-A0.039272.91874E-4B1-0.003851.78551E-4B22.60179E-41.95524E-5【思考与讨论】1 影响电子加速电压值的因素有哪些？有什么修正方法？答：由图2可以看出，影响电子加速电压的因素有：阴