南京大学08级近代物理实验二（大四上学期）电子与原子实碰撞

N(z)?ce?nQz?ce?z/? 设z=0处的入射粒子密度为N0，作为边界代入可得

于是求得密度N0的入射粒子穿过厚度为z的靶时，散射几率为

N(z)?N0e?nQz?N0e?z/?Ps?N0?N(z)?1?e?nQz?1?e?z/?N0 （4-12）

n代表了单位体积内所有靶粒子对于碰撞的总贡献。当靶粒子密度n一定时，散射截面Q决定散射几率Ps。实验测得Ps后可得

1nQ??ln(1?Ps)z （4-13）

并且

???zln(1?Ps) （4-14）

那么对于给定温度T和压强p的气体，其总散射截面 Q???kTln(1?Ps)pz （4-15）

3.2. 测量原理

灯丝电源为Ef，调制极M与屏蔽极S连在一起作加速极用，它与阴极之间接有加速电源Ea，可以改变和控制到达屏蔽极隔离板孔处电子运动的速度；电源Ec用来补偿板极与屏蔽极之间的接触势差，保证屏蔽极隔离板至板极的空间为等势空间；Ra和Rc为取样电阻，作测量加速极电流和收集极电流之用。加速电源Ea上还有一组交流可调电压输出，供双踪示波器动态观察Ia-Va和Ic-Va曲线。

图4-4 测量原理线路图

4. 实验内容及步骤

4.1. 交流定性观察

1) 按图4-5连接线路。

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图4-5 交流观察接线图

示波器X轴扫描由加速电源的交流输出电压提供，闸流管处于室温。调节Ef为某一值，电位器W1用来调节交变电压Va的幅度，W2用来调节X轴的扫描幅度，示波器上会出现图4-6a所示图形。其中Ⅰ为Ia-Va曲线,Ⅱ为Ic-Va曲线。曲线Ⅱ中凹陷是由散射几率的变化引起的。

图4-6 交流定性观察

2) 一只手扶住闸流管管座，另一只手旋松支架上的固定螺丝，小心地将闸流管玻壳缓慢移入

装有液氮的保温瓶内，让管顶浸入液氮，切不可使金属管座接触液氮，否则会炸裂。 观察Ic-Va曲线的变化, 其凹陷消失。

3) 接触电势差的补偿：由于屏蔽极和板极间接触电势差的存在，碰撞空间不是等势空间。Va

很小时,Ia和Ic不同时出现。（必要时将X轴扫描扩展10倍,）仔细调节示波器Y1和Y2的放大倍数以及补偿电压Ec的值，使曲线Ⅰ和Ⅱ基本上全部重合，如图4-6b所示，此时可认为接触电势差得到补偿。以后操作保持Ec不变。

4.2. 直流测量

1) 按图4-7连接线路。闸流管仍置于液氮中。选择好灯丝电压，将Va调至较大负电压，使闸

流管完全截止。两微电流计置于最小量程。

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图4-7 直流测量接线图

2) 测量液氮温度下一组V a, Ia*、Ic*值，由于实验曲线以√Va为横坐标，所以起始时Va的间

隔应取得小些。

3) 将闸流管从液氮中取出，待温度平衡后，将V a置1.00V左右，由于室温下氙原子的导热

使阴极温度稍微下降，故应适当增加灯丝电压Vf，使室温下的Is+Ic等于低温下的Is*+Ic*，即保持阴极温度不变。然后取与低温下相同的V a值，测量一组Is、Ic值，根据测得的数据，计算可得散射几率Ps和散射截面Q。

4.3. 注意事项

1) 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。当用液氮进行测量时，先要关掉灯丝电源，直到把管子顶端浸入液氮后，再接通灯丝电源，这样做，管子破裂的机会就少。

2) Va幅度增大到一定值，电流会出现急剧增加, 这时需注意减少Va, 以防碰撞管电离。

5. 实验结果及数据处理 5.1. 绘制Ps?VA曲线

根据实验步骤和要求，分别将闸流管置于液氮和室温中进行测量。其中闸流管在液氮中时EF?1.83V。闸流管处于室温时EF?2.08V。

表4-1 实验数据 VA 0.2 0.3 0.4 0.45 0.5 VA 0.447214 0.547723 0.632456 0.67082 0.707107 IC* 0.005 0.019 0.063 0.11 0.18 IA* 0 0.13 0.43 0.78 1.36 7

IC 0.015 0.02 0.034 0.049 0.073 IA 0.02 0.05 0.27 0.48 0.85 Ps 0.571429 -1.2406 0.124791 0.250559 0.323342

0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 0.74162 0.774597 0.806226 0.83666 0.866025 0.894427 0.921954 0.948683 0.974679 1 1.048809 1.095445 1.140175 1.183216 1.224745 1.264911 1.30384 1.341641 1.378405 1.414214 1.48324 1.549193 1.612452 1.67332 1.732051 1.870829 2 2.12132 2.236068 2.345208 2.44949 2.54951 2.645751 2.738613 2.828427 2.915476 3 0.264 0.374 0.47 0.574 0.689 0.834 0.987 1.126 1.307 1.493 1.859 2.09 2.5 2.93 3.35 3.76 4.18 4.59 4.98 5.4 6.27 7.17 8.08 9.09 10.04 12.07 15.3 17.94 20.6 23.4 26.3 29.3 32.2 34.3 37.3 40.8 44.5 2.21 3.65 5.38 7.54 9.92 13.1 16.35 19.28 23.15 26.88 34.49 42.99 52.59 62.8 72.5 83.3 95.5 107.9 120.3 133.8 162.2 191.7 221.5 253.5 285.7 371.8 462.8 557.8 659.9 768 882 1005 1132 1245 1374 1500 1622 0.102 0.143 0.186 0.269 0.361 0.446 0.554 0.662 0.772 0.899 1.202 1.5 1.782 1.91 2.15 2.36 2.55 2.7 2.84 2.95 3.11 3.21 3.26 3.28 3.28 3.25 3.21 3.22 3.3 3.44 3.66 3.97 4.34 4.79 5.36 6.11 7.11 1.38 2.16 3.23 4.79 6.79 8.66 11.15 13.62 16.28 19.35 27.04 35.21 43.82 53.38 63.97 74.78 86.58 97.81 111.33 124.3 152.1 180.2 209 239.3 268.2 341.5 416.5 488.9 560.3 630.5 705 778 850 929 1015 1098 1189 0.355018 0.33192 0.322276 0.248359 0.222688 0.181692 0.168557 0.159982 0.152832 0.156274 0.167811 0.118658 0.138894 0.225034 0.263765 0.291625 0.317743 0.341652 0.374224 0.402401 0.461612 0.514564 0.563613 0.609399 0.644113 0.700183 0.761008 0.790015 0.806579 0.816477 0.821632 0.820783 0.816333 0.808678 0.801243 0.791015 0.77739

根据表4-1可绘制出图4-8

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