Изучение процесса упругих соударений электронов с атомами газа в присутствии эффекта Рамзауэра

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА УПРУГИХ СОУДАРЕНИЙ ЭЛЕКТРОНОВ С АТОМАМИ ГАЗА В ПРИСУТСТВИИ ЭФФЕКТА РАМЗАУЭРА

Цель работы:

1.  Экспериментальное изучение процесса упругого рассеяния электронов на атомах газа при их дрейфе в электрическом поле.

2.  На основе экспериментальных данных определить энергии электронов, при которых рассеяние минимально и максимально.

Оборудование: лампа ТГ3-0,1/0,3; 2 батареи типа «Крона»; планшет для сборки; 2 вольтметра с пределом измерения до 20 B; микроамперметр с пределом измерения до 10 мкА; источник питания В4-12; ЛАТР.

                                                 Ведение

Одним из физических процессов, занимающих центральное место в физике плазмы и газовых разрядов и определяющих условия работы всех га­зоразрядных и плазменных приборов, является движение заряженных частиц (электронов и ионов) в газе. При этом происходят разнообразные столкнове­ния с нейтральными частицами газа (атомами, молекулами).

Предметом рассмотрения этой работы является более частный вопрос — изучение особенностей процесса соударений электронов с атомами газа.

В зависимости от энергии электронов, различают упругие и неупругие столкновения. Упругие столкновения не сопровождаются изменением внут­ренней энергии атомов. Доля кинетической энергии, передаваемая при упру­гом столкновении электроном атому по порядку величины равна отношению

масс электрона и атома m/M ~ 10^-4. Поэтому такое столкновение практически

не изменяет кинетическую энергию электрона, меняя лишь направление его движения. Упругие столкновения характерны для электронов с кинетической энергией до единиц эВ. Столкновения, в результате которых внутренняя энергия атома и кинетическая энергия электрона изменяются, называются неупругими. При неупругих столкновениях 1-рода электрон отдает часть сво­ей энергии на возбуждение или ионизацию атома. В результате неупругих со­ударений 2-го рода электрону передается часть энергии возбуждения атома или вся эта энергия. Поэтому такого вида столкновения могут происходить лишь между электронами и атомами, находящимися в возбужденном состоя­нии. Неупругие столкновения 1-го рода происходят, если налетающие элек­троны имеют достаточную для возбуждения атома кинетическую энергию -десятки или сотни эВ.

Необходимость изучения рассматриваемого вопроса обусловлена це­лым рядом причин, из которых достаточно упомянуть только некоторые, от­куда видна важность учета упругих столкновений электронов с атомами :

1) при прохождении электронных пучков через газ;

2) зависимость процессов транспорта в плазме (электропроводность, диффузия) от частоты упругих столкновений электронов с атомами;

3) формирование электронного энер­гетического спектра плазмы;

4) зависимость характера проявления контрак­ции (сжатия) столба газоразрядной плазмы от частоты упругих соударений.

Столкновение электрона с одним атомом является случайным событи­ем, имеющим определенную вероятность, которую можно характеризовать с помощью величины, называемой эффективным сечением рассеяния электро­на Q. Атом рассматривается в виде шара с площадью поперечного сечения Q, численно равной вероятности столкновения электрона с атомом. Значение величины Qдля одного и того же атома различно для различных процессов, а для упругого рассеяния она выбирается такой, что при попадании в круг площадью Qэлектрон отклоняется от первоначального направления движе­ния.

Когда электрон попадает на площадку S слоя толщиной dх газа с кон­центрацией атомов n₀, в направлении движения электрона находится число

атомов, равное п_оSdх. При этом сумма поперечных сечений упругих столкно­вений электрона с атомами газа равна

Отсюда вероятность столкновения электрона с одним из атомов в слое dх равна

Эффективное сечение Qможно связать с экспериментально опреде­ленным коэффициентом ослабления μ электронного потока в газе. Посколь­ку ослабление электронного потока происходит за счет его рассеяния при столкновениях с атомами газа, то коэффициент μчисленно равен коэффици­енту рассеяния потока электронов. Последний определяется как число столкновений электрона с атомами на единичной длине в газе. Поэтому при про­хождении слоя dх величина рассеянной плотности потока электронов dIрав­на числу столкновений электронов пучка с атомами газа в этом слое :

 

Величина рассеянной плотности потока электронов, с другой стороны, определяется вероятностью упругих столкновений:

 

Сравнивая выражения (2) и (3), получаем

                                                   μ=Qn₀

Плотность электронного потока 1(х) после прохождения слоя газа толщиной х связана с плотностью электронного потока на входе в газ I(0) соотношением

Отсюда, по данным измерения плотности электронного потока можно вычислить эффективное сечение рассеяния