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1、冉绍尔-汤森效应 验证和测量气体原子散射截 面与电子能量的关系06300190072 苗博何为冉绍尔-汤森效应 早在1921年，德国物理学家冉绍尔用磁偏转法分离出单 一速度的电子，对极低能量0.751.1eV的电子在各种气 体中的平均自由程作了研究。结果发现，Ar气中的平均 自由程远大于经典热力学的理论计算值。惰性气体（主 要讨论Ar）原子对电子的弹性散射截面在10eV左右存在 极大值；同时在能量约为0.37eV时，电子的自由程出现 极大值；在能量降到约0.2eV时，Ar的散射截面呈现极 小值，且接近于零。无论哪种气体原子的弹性散射截面 ，在低能区都与碰撞电子的能量明显有关，而且相似原 子具有
2、相似的行为。 在经典理论中，散射截面与电子的运动速度无关，而冉 绍尔与汤森的实验结果表明它们是相关的，需要用量子 力学理论作出合理解释。散射截面 定义散射截面 =P/n B粒子在一薄层平面上分布，单位面积上有n个粒子，A 粒子垂直地机射向面积为S的B粒子所在平面。把B粒子 想象成面积为的圆盘，记射中概率为P，则存在关系式P=nS/S=n.散射截面用以表示A粒子与B粒子发生相互作用而离开入 射束的概率测量原理冉绍尔-汤森效应实验仪 测量气体原子总散射截面的原理图 灯丝被加热，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，有一部分电子在到达栅极之前， 被屏极接收，形成电流Is1；有一
3、部分穿越屏极上的矩形 孔，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，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Is2； 而未受到散射的电子则到达板极P，形成透射电流Ip 散射几率和散射截面的表达式 电子在等势区内的散射几率为: PS=1-Ip/I0 定义几何因子f , f= I0/ Is1 PS = 1-(1/f)*( Ip/ Is1) 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f 可以表示为：f=Ip* /Is* Ps=1-（
4、Ip/Is1）*( Is*/ Ip*) 若f1，Is1Is 总有效散射截面：Q=-(1/L)*ln（Ip/Is）*( Is*/ Ip*)实验过程交流定性观察 室温下，用示波器观察电流Ip与Is和加速电压的关系。曲 线Ip-Ea有明显的凹陷，易知这是散射几率的变化引起的 。 将闸流管的玻壳浸入液氮中，冷却后观察到，曲线Ip-Ea 的凹陷消失。 屏蔽极与板极间存在接触势差，碰撞空间不是等势空间 。反复调节Ec与示波器Y1、Y2通道的放大倍数，使2曲 线的起始端基本重合，此时可认为碰撞空间接触的势差 的补偿已经完成。实际得到补偿电压Ec在0.5V左右。直流测量 测量液氮条件下一系列的Ea、Is*、I
5、p*值；在室温下测量 一系列与液氮条件下对应的Ea、Is、Ip值。 由于室温下氙原子的导热使阴极的温度稍有下降，测量 前要适当增加灯丝电压（实验中实际数值由2.0V增大到 2.25V左右），使得Is+Ip = Is*+ Ip*以保证两种测量条件 下阴极的发射情况基本一致。 用测量所得数据作图，分别得到Ea- Is曲线、Ea-Ip曲线、 Ea- Is*曲线、 Ea- Ip*曲线、Ea-f曲线。与交流观察的现象 吻合，各个电流与加速电压的关 系基本成正比例，而Ea -Ip曲线存在拐角，验证了在交流观察时看到的明显的凹 陷。同时得到的Ea-f曲线，f数值可以低至0.02左右，可 视为f1，故关系式（
6、总有效散射截面）Q=-(1/L)*ln（Ip/Is）*( Is*/ Ip*)在实验处理时完全可以采 用。作出散射几率与电子能量平方根的关系图曲线分析：有效散射截面与电子的运动速度密切相关。电子能 量降到约6.5eV时，散射截面达到极大值；进一步降低 电子能量，散射截面急剧变小，当电子能量低至约 0.9eV，散射截面出现极小值，此时，气体原子呈现所 谓的“透明”现象，即电子经过原子气体时，几乎不与原 子发生碰撞而径直透过；再降低电子的能量，散射截面 将迅速增大。 问题与讨论1.关于液氮液氮是窒息性气体，应保持实验室有良好的通风； 液氮不能触及人体，否则会造成冻伤；将电子碰撞管浸 入液氮中进行低温
7、测量时，不能将管子金属底座浸入液 氮，进行这样的操作管子可能会炸裂，电子碰撞管上下 端的限位螺丝的作用正是在将电子碰撞管浸入液氮时， 限制管子突然或者全部浸入液氮引起管子炸裂。盛有液 氮的杜瓦容器真空夹层的封口必须保护好，不可突然打 开或充入过量的气体，否则由于绝热破坏，容器内液体 会迅速蒸发，有可能造成事故。2.测量装置本实验需要在室温和液氮条件分别得到测量数据 作为对照组。室温下的测量易于操作，而液氮条件下的 测量不能做到足够准确，由此造成实验误差。在进行液 氮测量时，闸流管的下端需要始终浸于液氮中，以保证 测量所需的冷却温度。实际情况是，盛液氮的保温杯密 封性有限，上层液氮往往很快挥发掉，冷却温度不能保 持。实验对照所要求的Is+Ip = Is*+ Ip*关系，实际上是易 于满足的，室温下的重新确定的灯丝电压相对液氮条件 时有一个小的增幅，对于不同的加速电压，灯丝电压需 要改变的值很小。
