冉紹爾一湯森效應(yīng)-武漢大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心解讀-wenkub
2024-10-28 18 本頁(yè)面
【正文】 把電子與原子的碰撞看成是入射粒子在原子勢(shì)場(chǎng)中的散射，其散射程度用總散射截面來(lái)表示。圖1為氙(Xe)，氪(Ke)，氬(Ar)三種惰性氣體的冉紹爾曲線。也就是說(shuō)，對(duì)于能量為leV左右的電子，氬氣竟好像是透明的。3． 測(cè)量氣體原子的有效彈性散射截面Q與電子速度的關(guān)系，測(cè)定散射截面最小時(shí)的電子能量。因?yàn)榻?jīng)典的氣體分子運(yùn)動(dòng)論把電子看成質(zhì)點(diǎn)，把氣體原子看成剛性小球，它們之間碰撞的散射截面僅決定于原子的尺寸，電子的平均自由程也僅決定于氣體原子大小及其密度n，都與電子的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)。當(dāng)電子能量較高時(shí)，氬原子的截面散射截面隨著電子能量的降低而增大；當(dāng)電子能量小于十幾個(gè)電子伏特后，發(fā)現(xiàn)散射截面卻隨著電子的能量的降低而迅速減小。1922年，現(xiàn)代氣體放電理論的奠基人、英國(guó)物理學(xué)家湯森()和貝利(Bailey)也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。不久，在德布羅意波粒二相性假設(shè)(1924年)和量子力學(xué)理論(1925～1928年)建立后，人們認(rèn)識(shí)到，電子與原子的碰撞實(shí)際上是入射電子波在原子勢(shì)場(chǎng)中的散射，是一種量子效應(yīng)，以上實(shí)驗(yàn)事實(shí)才得到了圓滿的理論解釋。4． 驗(yàn)證冉紹爾湯森效應(yīng)，并學(xué)習(xí)用量子力學(xué)理論加以解釋。電子能量小于1eV以后Q再度增大。圖中橫坐標(biāo)是與電子速度成正比的加速電壓平方根值，縱坐標(biāo)是散射截面Q值，這里采用原子單位，其中a0為原子的玻爾半徑。圖1 氙、氪、氬的冉紹爾曲線以下是冉紹爾—湯森效應(yīng)的量子力學(xué)簡(jiǎn)單定性解釋，僅供參考。190。下求解薛定諤方程：ikzeikz+f(q)(k=2mE/h2)r(1)233。(2)是可以給出與實(shí)驗(yàn)曲線相吻合的Q=FV理論曲線的。a=np（π=1，2，3，……）(其中k162。如果把惰性氣體的勢(shì)場(chǎng)看成是一個(gè)三維方勢(shì)阱，則可以定性地說(shuō)明冉紹爾曲線的形狀。0,ra（4）由于V(r)只與電子和原子之間的相對(duì)位置有關(guān)而與角度無(wú)關(guān)，所以V(r)為中心力場(chǎng)。l（5）計(jì)算總散射截面的問(wèn)題歸結(jié)為計(jì)算各分波的相移dl。2l(l+1)249。rkr190。246。2248。a)187。由此可見(jiàn)，調(diào)整勢(shì)阱參數(shù)V0和a，可以使入射粒子能量為1eV時(shí)散射截面出現(xiàn)一個(gè)極小值，即出現(xiàn)共振透射現(xiàn)象。更精確的計(jì)算散射截面，需要用到哈特里—?？?HartreeFock)自洽場(chǎng)方法，這里不再詳述，從上面的論述可以看出，從彈性散射截面對(duì)電子能量關(guān)系的分析中，我們可以得到有關(guān)原子勢(shì)場(chǎng)的信息。圖2 充氙電子碰撞管示意圖圖3 直流測(cè)量冉紹爾湯森效應(yīng)實(shí)驗(yàn)線路圖圖3為測(cè)量氣體原子總散射截面的原理圖，當(dāng)燈絲加熱后，就有電子自陰極逸出，設(shè)陰極電流為IK，電子在加速電壓的作用下，有一部分電子在到達(dá)柵極之前，被屏極接收，形成電流IS1；有一部分穿越屏極上的矩形孔，形成電流I0，由于屏極上的矩形孔與板極P之間是一個(gè)等勢(shì)空間，所以電子穿越矩形孔后就以恒速運(yùn)動(dòng)，受到氣體原子散射的電子則到達(dá)屏極，形成散射電流IS2；而未受到散射的電子則到達(dá)板極P，形成板流IP，因此有IK=I0+IS1（11）（12）（13）IS=IS1+IS2I0=IP+IS2電子在等勢(shì)區(qū)內(nèi)的散射概率為：PS=1IP I0（14）可見(jiàn)，只要分別測(cè)量出IP和I0即可以求得散射幾率。電子總有效散射截面Q和散射幾率有如下的簡(jiǎn)單關(guān)系：PS=1exp(QL)*230。I(I*+I*)247。PS（23）式中L為屏極隔離板矩形孔到板極之間的距離。231。232。圖4 FDRTEA型冉紹爾曲線效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀四 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．交流測(cè)量測(cè)量線路如圖5所示，儀器連接如圖6所示。置CH2為“AC”耦合，“50mV”或者“100mV”檔。6）保溫杯中注入液氮，把碰撞管下部約1/2浸入液氮（注意：電子碰撞管應(yīng)該緩慢浸入液氮，以避免管殼突然受冷而爆裂），示波器觀察S板和P板電流的變化，并與室溫下曲線做比較，思考變化的原因。2）首先打開(kāi)FDRTEA型冉紹爾—湯森效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀微電流計(jì)主機(jī)，調(diào)節(jié)微電流計(jì)“CURRENT Ip MEASURE”和“CURRENT IS MEASURE”的調(diào)零電位器，將示值全部調(diào)節(jié)為“”（注意此時(shí)應(yīng)該將兩個(gè)換檔開(kāi)關(guān)全部置于最小，即左邊“CURRENT IPMEASURE”置于“2mA”檔，右邊“CURRENT IS MEAUSRE”檔置于“20mA”檔）。如果仍舊不是同時(shí)有電流，重復(fù)以上過(guò)程，直至達(dá)到上述要求。做ln(IpIs注意事項(xiàng)：，注意不要將管子金屬底座浸入液氮，以防止管子炸裂。思考題1． 影響電子實(shí)際加速電壓值的因素有哪些？有什么修正方法？2． ，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該降壓使用，例如2V或者3V，為什么？3． ，按照經(jīng)典氣體分子運(yùn)動(dòng)論計(jì)算其散射截面及電子平均自由程，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，并進(jìn)行討論。同時(shí)，還應(yīng)該避免尖角劃傷玻璃，否則該處遇冷時(shí)容易破裂。5． 液氮是窒息性氣體，應(yīng)保持實(shí)驗(yàn)室有良好的通風(fēng)。我所學(xué)到的任何有價(jià)值的知識(shí)都是由自學(xué)中得來(lái)的。讀書(shū)要三到：心到、眼到、口到玉不琢、不成器，人不學(xué)
電大資料相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號(hào)-1