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,形成散射电流的电子则到达板极P,形成板流IP,因此有
IS2;而未受到散射
IK?I0?IS1
IS?IS1?IS2
I0?IP?IS2
电子在等势区内的散射概率为:
PS?1?
IPI0 (1)
可见,只要分别测量出IP和I0即可以求得散射几率。从上面论述可知,IP可以直接测得,至于I0则需要用间接的方法测定。由于阴极电流IK分成两部分IS1和I0,它们不仅与IK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f,即有
f?
I0IS1 (2)
几何因子f是由电极间相对张角及空间电荷效应所决定,即f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
PS?1?
1IPfIS1 (3)
为了测量几何因子f,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就等于这时的板流IP与屏流IS之比,即
If?P?IS? (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f值与式(3)中掉相等,因此有
IIPS?1?PS?IS1IP (5)
设L为出射孔S到板极P之间的距离,则
?PS?1?exp(?QL) (6)
当f<<1时,由(5)、(6)两式得
?IPIS?1?? Q??ln????L?ISIP? 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Ea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】
1、 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。
2、 观察几何因子f和加速电压Va的关系 3、 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
1、 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。
2、 灯丝电压Ef调至1.88v
3、 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
4、 此时Ip的量程为1uA,Is的量程为50uA 5、 测得Ef=1.88v,Ec=0.49v
6、 低温状态下测量Ea与Ip*、Is*的变化关系 (实验测量范围:0—10v) 1)
低温下,透射电流Ip*与加速电压Ea的关系
2)
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。
7、 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*
1)
室温下,透射电流Ip与加速电压Ea的关系
冉绍尔-汤森效应实验
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