冉绍尔汤森效应摘要在不同灯丝电压下通过对电子管内板流与散射.DOCVIP

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冉绍尔汤森效应摘要在不同灯丝电压下通过对电子管内板流与散射

冉绍尔汤森效应 摘要 在不同灯丝电压下通过对电子管内板流与散射电流的测量(常温与液氮中),通过公式计算得出加速电压Ua与散射几率Ps的关系图来验证冉绍尔汤森效应,并测量不同灯丝电压下几何因子f与Ua的定性关系。 关键词 散射几率,几何因子 引言 1921年,Carl Ramsauer在研究电子与气体原子的碰撞中,发现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,发现散射截面却随着电子的能量的降低而迅速减小。在经典理论中,散射截面与电子的运动速度无关,而冉紹尔与汤森的实验结果表明它们是相关的。这只能用量子力学才能作出满意的解释。 本实验主要是利用实验室器材来观察得到冉绍尔汤森曲线,并对影响它的因素灯丝电压、温度、加速电压进行研究。同时观察几何因子与加速电压的关系。 实验仪器 FD-RTE-A型冉绍尔-汤森效应实验仪,电子碰撞管,低温容器,示波器 实验中代数式 Ef——灯丝电压 Ea——加速电压 Ec——补偿电压 Ip——板流(室温) Is——散射电子电流(室温) Ip*——低温板流(液氮中) Is*——低温散射电流(液氮中) Ps=1-Ip/Is·f——散射几率 W1,W2——交流线路内分压电阻 f=Ip*/Is*——几何因子(与管子几何结构、加速电压、空间电荷分布有关) 实验中重要等式:Ip+Is=Ip*+Is*(保持出射电流不变)原因是这样常温下与液氮下出射总电流一致,具有可比性,代入公式Ps=1-Ip/Is·f才有意义。 实验内容 交流电下观察图像 实验参数 Y1:20mv/div Y2:20mv/div Ef=1.99V Ec=0.98V 常温下 说明:1.图中x-y轴都是向左值增大,向下值增大(交流电方向在示波器上的表现),左图 2.控制变量增大W1:Y1横向幅度增大,纵向不变;Y2横向幅度增大,纵向幅度也增大 3.控制变量增大W2:Y1、Y2横向幅度同比例增大,纵向不变 4.控制变量,增大灯丝电压,在一段延迟后,Y2(S流)纵向增大),Y1(P流)纵向略减小,说明散射明显增大,板流几乎不变 5.由于X轴代表电压由右及左增大,Y轴代表电流由上及下增大。图中Ip与Is同时取得极值。Ip极大,Is极小,说明在Ua的变化中,散射截面有一极小值。 6.在增大分压电阻至一定大小后,示波器左下角示值突然陡峭迅速降低,说明加速电压超过某一值后氙气已电离,管内电流急剧增大。 7.图线出现重影是因为交流电方向转变后大小略有不同所致 液氮中 液氮冻结了大多数氙原子,散射必然减小,板流增大 直流下测量冉绍尔汤森曲线 Ef=6.93V Ec=1.51V Ef=3.02V Ec=2.02V Ef=4.50V Ec=0V 比较三图,可见最小值对应的电压随灯丝电压增大而减小,所以第一张图的最小值不是没有,而是已到了0的左边,这可能是补偿电压不够而导致。灯丝电压越大,最小值越小,说明散射几率越小,电子数目越多,统计越准确。 测量几何因子(液氮下) 第一实验日结果 Ef=6.93V Ec=1.51V 指数拟合F=0.012exp(-Uf/1.74)+0.022 Ef=3.02V Ec=2.02V 指数拟合F=0.089exp(-Uf/0.352)+0.3317 Ef=4.50V Ec=0V 从前两张指数拟合结果来看,没有任何关联,说明不是指数关系,第三张图的图形呈上升趋势,与前两张完全不同。 第二实验日 同仪器同条件 Ef=6.93V Ec=1.51V Ef=3.02V Ec=2.02V Ef=4.50V Ec=0V 扩大加速电压测量范围 说明:两天实验的七张图一起比较,发现总体f随Ua增大而减小,但常常出现不规律情况。 原因是f值很小,0.001数量级的波动在拟合时误差被放大,没有任何说明性。而实验中加速电压测量范围太小,只限于0~1V,总体趋势容易被局部波动掩盖。但波动干扰的外因不是很清楚,它的数量级与正常的f值的数量级相同。所以几次测量的图形总趋势不稳定。 实验结论 实验验证了电子散射率与加速电压有关的现象,并测定散射率存在最小值在1eV左右,随灯丝电压增大而对应的加速电压减小。这必须用三维量子势阱解释,证明了量子理论的正确性。 其他条件不变几何因子随加速电压增大而减小,没有确定具体函数关系,因为它与电子管几何结构也有关。测量中有未知原因的波动干扰。

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