冉绍尔-汤森效应实验

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K I ，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1S I ；有一部分穿越屏极上的矩形孔，形成电流0I ，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2S I ；而未受到散射

的电子则到达板极P ，形成板流P I ,因此有

10S K I I I +=

2

1S S S I I I +=

20S P I I I +=

电子在等势区内的散射概率为:

01I I P P

S -

= (1)

可见，只要分别测量出P I 和0I 即可以求得散射几率。从上面论述可知，P I 可以直接测得，至于0I 则需要用间接的方法测定。由于阴极电流K I 分成两部分1S I 和0I ，它们不仅与K I 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

10

S I I f =

(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

111S P

S I I f P -

= (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*P I 与屏流*

S I 之比，即

*

*

=S

P I I f (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

*

*

-=P

S S P S I I

I I P 11 (5)

设L 为出射孔S 到板极P 之间的距离，则

)exp(1QL P S --= (6)

当f<<1时，由(5)、(6)两式得

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-=**

P S S P I I I I L Q ln 1 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a E 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

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Ea>2.3v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Ea的关系曲线

E=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由图可看出，

a

E=1.162即Ea=1.35附近，散射截面出现极小值，且接近于零。值。随着Ea的减小，在

a

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，再进一步降低电子能量，散射截面将迅速增大。

（二）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。

管内充有氙—氪混合气体，氙和氪的第一电离电位分别为12.13v

灯丝电压调至1.88v，Ec为0.49v

1）室温下，透射电流Ip与加速电压Ea的关系曲线

由图中可看出，在Ea=12.194v后，透射电流突然增大，说明了这个时候原子发生了电离。

氙原子的第一电离电位

理论值：12.13eV

测量值：12.194eV

误差：0.528%

2）室温下，散射电流和加速电压Ea的关系曲线