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冉绍尔-汤森效应实验
【摘要】
加速电子与充显闸流管中的侃原子碰撞，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，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，散射截而将迅速增大。
（二）测量侃原子的电离电位
采用三极管法，即把充亦闸流管视为三极管，并在板极P对阴极K加一负电位（可取
。在侃原子电离之前，板极上没有电流，当电离发生时，板极P将接收到离子流。
管内充有侃一氮混合气体，
,
1）室温下，透射电流Ip与加速电压Ea的关系曲线
Ip/uA
0 4-
00 -
如一
X = , Y =
B 10 12
16
Ea/V
由图中可看出，在Ea=，透射电流突然增大，说明了这个时候原子发生
了电离。
显原子的第一电离电位
理论值:

测量值:

误差:
%
2）室温下，散射电流和加速电压Ea的关系曲线
3000 -
2500 -
2000 -
乡 1500 -
1000 -
600 -
:—■— IsJuA]
X = 13701, Y = 1264 177
6 8 10 12 14 16
Em
氟的第一电离电位
理论值：
测量值：
误差： %
【实验讨论】
1、为什么冉绍尔实验中常使用惰性气体?
因为惰性气体的原子最外层是8个电子，结构最稳定，所以电离能相对比较高,
便于我们在一个较大的范围内研究电子能量与散射截面的关系.
2、ZQIO. 1/，灯幼•的正常工作电压为6, 3V,
而在实验中我们应降压使用，为什么呢?
这是为了减小空间电荷的影响，因为阴极温度较低时电子的热动能也较小。我们希
望的是电子能量通过加速电压Ea来反映，灯丝电压过高会使电子的初动能过大，影响实验 结果.
3、为什么把充气闸流管的管端部分浸到温度为77K的液氮中？
因为77K的温度已经低于闸流管内的徵气的液化温度（经查资料得，侃原子的液 化温度在
）,这时候管内的显气都液化了，相当于把管子抽了真空，电子打入的时候 就自然不会与原子碰撞，而是直接穿过等势空间。
4、 实验中，由于电子一部分才穿越S上的矩形孔，穿过的电子在等势区又经过散射， 所以最终能到达P极板的电子并不多，所以Ip很小，实验中所连接P极的导线中有一根分 出来的导线，需要接地的，这是为了防止外界因素对Ip的干扰。
5、 要注意始终保持阴极温度不变！这样才能保证在相同的电子能量“背景”下实验， 数据才能有可比性。要保持阴极温度不变，就必须在转换环境时（低温测量和室温测量的两 个环境）保证Ip+Is=Ip*+Is*,需要手动调此因为不可能使等式完全相等，所以实验因此会 产生一点误差，不过误差很小，并不影响实验的进行。
6、 在低温状态下测量，实验中不可避免的是需要向保温瓶内加液氮，以保证闸流管一 直是浸没在液氮里。加液氮的过程会产生误差。
7、 处理液氮时要小心。不要装得太满；闸流管只要浸没一部分，不可使金属管座接触 液氮，否则，管子容易炸裂。
将闸流管浸入液氮的过程需要缓慢进行，防止液氮飞溅，导致汽化过快。因为液氮 汽化较快，所以在测量到拐点左右时要快速、并取多一些的点测量，不要在这个时候加液氮。
8、用量子力学定性解释冉绍尔-汤森效应
设-为电子的波函数，U(〃为电子与原子之间的相互作用势。理论计算表明，只要
U(〃取得适当，那么在边条件： 奴
w > 小 + /(6>)— (k = yl2mE/h2) (1)
下求解薛定谓方程：
_/Lv2 +V(r) y/ = Ey/ 2m ,z
是可以给出与实验曲线相吻合的Q = F(JV)理论曲线的。对于侃，氟，机原子来说，
的确能够得到在1 eV附近，散射截而取极小值的结果。
将所设的V(〃代入薛定谓方程，看能否对冉绍尔曲线做解释。把惰性气体的势场
看成是一个三维方势阱，则可以定性地说明冉绍尔曲线的形状。
三维方势阱由下式表示
一 ％), r<a
V(r)= <
0, r > a
(3)
因为V(r)只与电子和原子之间的相对位置有关而与角度无关，所以V(r)为中心力场。
对于中心力场，波函数可以表示为具有不同角动量/的各入射波与出射波的相干叠加。对于
每一个,—称为一