冉绍尔-汤森效应试验.DOCVIP

冉绍尔-汤森效应实验 【摘要】 加速电子与充氙闸流管中的氙原子碰撞，电子被散射，把闸流管先后浸入77K液氮和在室温下测俩观众的栅极及板极电流。得出散射概率、散射截面与电子能量的关系，低能电子与气体原子的散射几率与电子速度的关系，验证冉绍尔-汤森效应。用量子力学解释这一效应 测量氙原子的电离电位。 【实验原理】 当灯丝加热后，就有电子自阴极逸出，设阴极电流为，电子在加速电压的作用下，有一部分电子在到达栅极之前，被屏极接收，形成电流；有一部分穿越屏极上的矩形孔，形成电流，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到达屏极，形成散射电流；而未受到散射的电子则到达板极P，形成板流,因此有 电子在等势区内的散射概率为: (1) 可见，只要分别测量出和即可以求得散射几率。从上面论述可知，可以直接测得，至于则需要用间接的方法测定。由于阴极电流分成两部分和，它们不仅与成比例，而且他们之间也有一定的比例关系，这一比值称为几何因子，即有 (2) 几何因子是由电极间相对张角及空间电荷效应所决定，即与管子的几何结构及所用的加速电压、阴极电流有关。将式（2）带入（1）式得到 (3) 为了测量几何因子，我们把电子碰撞管的管端部分浸入温度为77K的液氮中，这时，管内掉气体冻结，在这种低温状态下，气体原子的密度很小，对电子的散射可以忽略不计，几何因子就等于这时的板流与屏流之比，即 (4) 如果这时阴极电流和加速电压保持与式(1)和(2)时的相同，那么上式中的值与式(3)中掉相等，因此有 (5) 设L为出射孔S到板极P之间的距离，则 (6) 当f1时，由(5)、(6)两式得 测量不同的加速电压Ea下的Ps的值，即可由上式得到总有效散射截面Q与的关系曲线。 使用直流加速电压的测量线路图 （二）测量测量氙原子的电离电位 采用三极管法，即把充氙闸流管视为三极管，并在板极P对阴极K加一负电位（可取0.5v左右。在氙原子电离之前，板极上没有电流，当电离发生时，板极P将接收到离子流。 测量原理图 【实验内容】 用直流电源，把ZQI 0.1/1.3型充气闸流管的管端部分缓慢地浸到液氮中，观察各级电流（Is、Ip）与加速电压的关系。 观察几何因子f和加速电压Va的关系 测量氙原子的电离电位 【实验仪器】 R-T实验仪 液氮 示波器 【实验记录】 （一）直流测量 按直流电路图连接导线，确认无误后打开电源组，双踪示波器和微电流计碰撞管仍在液氮中。 灯丝电压Ef调至1.88v 调节Ec，由于S电极上吸收电子要比收集极P收集电极早，有电位差。调节Ec使得改变Ea时，Ip和Is同时发生变化，此时的Ec就是我们需要的合适的补偿电位差。记录下 Ec=0.49v 此时Ip的量程为1uA，Is的量程为50uA 测得Ef=1.88v，Ec=0.49v 低温状态下测量Ea与Ip*、Is*的变化关系 （实验测量范围：0—10v） 低温下，透射电流Ip*与加速电压Ea的关系 低温下，散射电流Is*与加速电压Ea的关系 由上两图可看出，透射电流Ip*与加速电压Ea、散射电流Is*与加速电压Ea基本都成线性关系。 室温下测量Ea与Ip、Is的关系 转换环境时要保持阴极温度不变，即要改变灯丝电压Ef使得 Ip+Is=Ip*+Is* 室温下，透射电流Ip与加速电压Ea的关系 由图可见，当加速电压达到3.175v左右，透射电流Ip发生突变 2）室温下，散射电流Is与加速电压Ea的关系 经计算拟合后 1）几何因子f和Ea的关系 电子能量在很低的时候，f随着能量的增大先是有个迅速的增加，而后迅速减小。当Ea2.3v后，f随着电子能量的增加而缓慢减小，最终基本稳定在0.03v左右。 2）Q与的关系曲线 由图可看出，=2.958即Ea=8.75时，Q的值出现极大值，说明散射截面出现极大值。随着Ea的减小，在=1.162即Ea=1.35附近，散射截面出现极小值，且接近于零。此时，气体原子呈现所谓的“透明”现