冉邵尔-汤森效应试验探讨徐元材料物理专业07300300039关键词冉.DOC

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冉邵尔-汤森效应试验探讨徐元材料物理专业07300300039关键词冉

冉邵尔-汤森效应实验探讨 徐元 材料物理专业 07300300039 关键词 冉绍尔—汤森(R—T)效应 散射概率 碰撞截面 电离电压 引言 “1921年,德国物理学家卡?冉绍尔在研究电子与气体原子的碰撞中发现碰撞截面的大小与电子速度有关。在电子与氩原子的碰撞实验中,冉绍尔把电子能量从100eV一直降到1eV左右。当电子能量较高时,氩原子的散射截面随电子能量的降低而增大;当电子的能量小于十几电子伏特后,散射截面随电子能量降低而迅速减小。1922年,J.S.汤森也发现类似现象。” [1] 经典理论中,散射截面与电子运动速度无关,无法解释冉邵尔-汤森效应,只能用量子力学的相关理论才能给出令人满意的解释。 理论/实验部分 理论部分: 电子经过路径x而散射的概率为 经典情况中, 散射概率与电子运动速度无关。 本实验中应用 当 时,可取近似 ,则 总有效截面 这样,研究原子散射截面与电子能量关系由此转变为研究散射电流、透射电流等与加速电压的关系。 实验仪器 碰撞管结果及原理示意图: 实验中的分歧: 采集数据过程中,我和实验同伴就低温到室温后,数据的采集方式产生了疑义。 实验课本中写明:“在低温和室温测量时,要保持阴极温度不变,即保持低温和室温时阴极发射电流相同”。 我们一度认为,回到室温后,只需要找一点,调节Vf,使得,就可以进行室温测量。但是后来我们发现,这样思考实际上默认了一个观点:只要Vf不变,阴极发射电流就不会变。 这个观点太过想当然,实验事实否认了这一点。我们找到一点定标,调节Vf使得,之后再改变Va,发现 和已经不再相等,而Va改变幅度越大,两者差别也就越大,这说明Vf并不是决定阴极电流的唯一因素(即使Va保持不变)。 阴极电流至少由三方面因素决定:灯丝电压、加速电压和温度。实验中,必须每换一次Va都要调整Vf,使得 时时刻刻都得到满足。 结果与讨论(Results and Discussion) 1. 双踪示波器显示图像与部分实验数据拟合图像 2.验证冉邵尔-汤森效应 P曲线 Q曲线 经典理论中,Ps与电子速度无关 而P图说明:低能时,散射概率P与电子速度有关,并且在电子能量约为1.1eV处出现一个极小值。 Q图说明:低能时,散射截面Q与电子速度有关,并且在电子能量约为1.1eV处出现一个极小值。 这样便完整验证了冉邵尔-汤森效应。 结论/小结(Conclusion/Summary) 1.本实验验证了冉邵尔-汤森效应 2.测出碰撞管中的稀有气体电离电压 3.研究了Ip,Is,几何因子f与Va的关系 实验改进建议 1.采用计算机采集实验数据 本实验全部数据均为人工手动采得,虽然可以锻炼学生动手能力,但是明显影响实验效率。而同一个实验室中的F-H试验就实现了机采数据,这说明本实验并不是没有这种可能。 低温测量过程应用计算机采集数据完全没问题,而应用机采数据的一个主要困难在于:低温转换至高温后,每一次改变加速电压都要调整Vf,保证 。 我建议采用二维扫描法,即Vf、Va双重扫描。选取一系列可能的Vf值,每个值固定后自动扫描全部Va值,一轮扫描结束后,改变Vf值,进行下一轮扫描(相当于程序设计中的双重循环嵌套)。获得数据后,由计算机软件对全部数据进行筛选,从每个Va所对应的一批数据中选出满足的数据,收集完全后曲线作图。 以上建议完全可以通过计算机编程实现,能够大大提高实验效率。 2.可以增加“探究阴极电流影响因素”的探究部分。一个普通的放电管和电流计数器就可以进行,而本实验的装置也能完全胜任。 明确有哪些因素以何种方式影响着阴极电流,这对本实验十分重要。 3.定量实验的扩展 本实验仅为定性验证实验,缺乏足够可操作的定性方案。但是由定性研究深化至定量研究是一个必然的趋势。 我设想:可以通过增加、改进部分仪器设备来实现定量研究。 比如,在量子力学分波法中给出公式: (散射截面取极小值) 我们可以提高仪器精度,测得一个比较准确的(这同时需要测量碰撞管长度),然后根据上式来逆推k的值,并与理论值比较。 致谢(Acknowledgments) 感谢马世红指导老师 感谢徐世锦同学 参考文献(References) [1] 近代物理实验 ,戴乐山、戴道宣编,复旦大学出版社,1999年 [2] 量子力学,曾谨言著,科学出版社,2007年 加速电压 加速电压

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