冉绍尔-汤森效应实验报告

第第23页共23页B51921，CarlRamsauer在争论电子与气体原子的碰撞中，觉察碰撞截面的大小与电子的速度有关。当电子能量较高时，电子与氩原子的碰撞散射截面随着电子能量的降低而增大；当电子能量小于十几个电子伏特后，觉察散射截面却随着电子的能量的降低而快速减小。在经典理论中,散射截面与电子的运动速度无关，而冉紹尔与汤森的试验结果说明它们是相关的。这只能用量子力学才能作出满足的解释。【试验理论及步骤】1.了解电子碰撞管的设计原则，把握电子与原子的碰撞规章和测量的原子散射截面的方法。Ps关系。Q系，测定散射截面最小时的电子能量。验证冉绍尔-汤森效应，并学习用量子力学理论加以解释。1〔0.75eV—1.1eV〕的平均自由程时，觉察氩气中电子自由程比用气体分子运动论计算出来的数值大得多。后来，把电子的能量扩展到一个较宽的范围内进展观看，觉察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四周到达一个极大值，而后开头下降，当电子能量渐渐减小到1eV左右时，有效散射截面Q消灭一个微小值。也就是说，对于能量为1eV左右的电子，氩气竟似乎是透亮的。电子能量小于1eV以后Q再度增大。此后，冉绍尔又对各种气体进展了测量，觉察无论哪种气体的总有效散射截面都和碰撞电子的速度有关。并且，构造上类似的气体原子或分子，它们的总有效散射截面对电子速度的关系曲线Q=F()〔V为加速电压值〕具有一样的外形，称为冉绍尔曲线。图1为氙〔Xe〕，氪〔Ke〕，氩〔Ar〕三种惰性气体的冉绍尔曲线。图中横坐标是与电子速度成正比的加速电压平方根值，纵坐标是散射截面Q值，这里承受原子单位，其中a0为原子的玻尔半径。图中右方的横线表示用气体分子运动论计算出的Q值。明显，用两个钢球相碰撞的模型来描述电子与原子之间的相互作用是无法解释冉绍尔效应的，由于这种模型得出的散射截面与电子能量无关。要解释冉绍尔效应需要用到粒子的波动性质，即把电子与原子的碰撞看成是入射粒子在原子势场中的散射，其散射程度用总散射截面来表示。2、测量原理1氙，氪，氢的冉绍尔曲线以以下图为测量气体原子总散射截面的原理图，当灯丝加热后，就有电子自阴极逸出，设阴极电流为IK，电子在加速电压的作用下，有一局部电子在到达栅极之前，被屏极接收，IS1I0，由于屏极上的矩形孔与板极P之间是一个等势空间，所以电子穿越矩形孔后就以恒速运动，受到气体原子散射的电子则IS2板极P，形成板流IP2和微电流计)，电子碰撞管，低温容器,示波器四、试验步骤1、沟通观看图3依据上图所示连接电路，调整电子碰撞管阴极电源“Ef”至“2V”左右，，补偿电压“Ec”先调整至“0V”。示波器触发源选“外接”，触发耦合选择“AC”，CH1，CH2“CH1“AC”耦合，“10mV”档；置CH2为“AC”耦合，“20mV”档。调整电位器“W1”可以转变沟通加速电压的幅度，调整电位器“W2”的大小，转变示波器x轴的扫描幅度。这是可以在Ip和Is保温杯中注入液氮，把碰撞管下部约1/2浸入液氮，示波器观看S板和P2、直流测量依据图2所示的仪器连接图连接电路，翻开微电流计，调整微电流计Ip和Is的调零电位器，将示值全部调整为“0.000”〔留意此时应当将两个换档开关全部置于最小。翻开F电源组，将灯丝电压Ef调至“2.000V”,直流加速电压EaEc“0.000V”。调整直流加速电压Ea旋钮，等到微电流计主机上两个表头示值全部为“0.000”时，把1/2Ea个表头是否同时有电流消灭。假设不是同时消灭电流，适当转变补偿电压Ec的值，再调整直流加速电压Ea旋钮观看此时是否两个微电流计是否同时有电流〔留意此时保证电子碰撞管约1/2浸入液氮〕，假设同时有电流，记录此时的补偿电压值的大小，后面测量中固定此补偿电压值。假设照旧不是同时有电流，重复以上过程，直至到达上述要求。液氮温度下，从0～10V渐渐增加加速电压〔2V以下每隔0.1V2V-3V0.2V0.5V〕，Ip*和Is*的大入大的液氮杜瓦瓶中，等到电子碰撞管恢复到室温状况，调整加速电压为零，此时为保持阴极温度不变，转变灯丝电压EfEa=1VIp+Is=Ip*+Is*，这是由于在加速电压为1V空的状况。参照低温下的状况，渐渐增加加速电压，列表记录Ip和Is【试验结果】直流测量试验数据室温下灯丝电压Ef=2.27V，液氮温度下灯丝电压Ef=2.00V，补偿电压Ec=1.11V，初始加速电压Ea0=-0.13VEa/VIp*/uAIs*/uAIp/uAIs/uAradic;(Ea-Ea0)PsQL-0.130.0000.000.0000.000.000-0.030.0010.030.0030.050.316-0.800-0.5880.030.0030.120.0040.160.4000.0000.0000.130.0150.320.0120.430.5100.4050.5190.230.0530.860.0351.150.6000.5060.7060.330.1392.030.0892.380.6780.4540.6050.430.2984.150.1974.780.7480.4260.5550.530.5427.520.3568.190.8120.3970.5060.630.81312.490.57713.120.8720.3240.3920.731.04118.020.82418.660.9270.2360.2690.831.30925.001.12725.850.9800.1670.1830.931.57832.361.43433.661.0300.1260.1351.031.85139.961.72241.751.0770.1100.1161.132.0848.221.99850.481.1220.0820.0861.232.3956.652.2459.171.1660.1030.1081.332.7366.022.4868.851.2080.1290.1381.433.0875.592.7078.601.2490.1570.1711.533.3984.252.8989.171.2880.1950.2161.633.7494.503.0699.811.3270.2250.2551.734.10105.363.21110.831.3640.2560.2951.834.44115.563.33122.351.4000.2920.3451.934.79126.753.44134.261.4350.3220.3892.035.13137.663.54146.721.4700.3530.4352.235.82160.853.68170.441.5360.4030.5162.436.55185.603.78195.831.6000.4530.6032.637.28209.603.86221.901.6610.4990.6912.838.02236.103.90248.301.7200.5380.7713.038.81263.303.92275.301.7780.5740.8543.5310.79331.503.93342.401.9130.6471.0424.0312.88403.003.91408.802.0400.7011.2064.5315.01478.203.88478.202.1590.7421.3535.0317.07555.903.88545.902.2720.7691.4635.5319.12637.903.91671.402.3790.8061.6386.0320.9722.503.99687.002.4820.7991.6066.5322.9810.504.13759.002.5810.8071.6477.0324.8898.504.33833.402.6760.8121.6707.5326.7987.904.59911.502.7680.8141.6808.0328.51075.004.90988.202.8570.8131.6768.5330.21162.505.261067.502.9430.8101.6629.0331.91248.005.661149.603.0270.8071.6479.5333.51330.506.111323.203.1080.8171.69610.0335.11411.206.621318.403.1870.7981.600由以上数据作图：4是Ip、Ip*—radic;(Ea-Ea0)曲线，反映的是在室温存液氮温度下极板P的电流与电子速率的关系。由图可以看出，室温下，Ip随电子速率的增大，先会增大一段，然后趋于稳定。这是由于电子散射截面与电子速率有关，所以Ip无法始终增大。而在液氮温度下，气体被冻结，电子的散射可以无视Ip*与电子速率近似呈线性正相关关系图5、图6分别是电子散射几率与电子速率、电子散射截面与电子速率的关系曲线。radic;(Ea-Ea0)<0.5据点很分散，并且与其他数据有较大的趋势差异，可以推想有两个数据点的测量不准确，造成了误差无视radic;(Ea-Ea0)<0.5radic;(Ea-Ea0)>1时，Ps、QL与电子速率呈正相关；在0.5<radic;(Ea-Ea0)<1，Ps、QL当radic;(Ea-Ea0)在1，Ps、QL一点的数据是：radic;(Ea-Ea0)=1.122，Ps=0.082，QL=0.086这时的1.2eV，符合冉绍尔效应。