Эффект Рамзауэра–Таунсенда

Эффект Рамзауэра-Таунсенда , также иногда называемый эффектом Рамзауэра или эффектом Таунсенда , представляет собой физическое явление, включающее рассеяние электронов низкой энергии атомами благородного газа . Этот эффект является результатом квантовой механики . Эффект назван в честь Карла Рамзауэра и Джона Сили Таунсенда , которые независимо друг от друга изучали столкновения атомов и электронов низкой энергии в 1921 году .

Когда электрон движется через газ, его взаимодействие с атомами газа вызывает рассеяние. Эти взаимодействия классифицируются как неупругие , если они вызывают возбуждение или ионизацию атома, и упругие, если они этого не делают.

Вероятность рассеяния в такой системе определяется как число электронов, рассеянных на единицу электронного тока, на единицу длины пути, на единицу давления при 0 °C, на единицу телесного угла . Число столкновений равно общему числу электронов, рассеянных упруго и неупруго во всех углах, а вероятность столкновения — это общее число столкновений на единицу электронного тока, на единицу длины пути, на единицу давления при 0 °C.

Поскольку атомы благородных газов имеют относительно высокую первую энергию ионизации , а электроны не несут достаточно энергии, чтобы вызвать возбужденные электронные состояния, ионизация и возбуждение атома маловероятны, а вероятность упругого рассеяния по всем углам приблизительно равна вероятности столкновения.

Если попытаться предсказать вероятность столкновения с помощью классической модели , которая рассматривает электрон и атом как твердые сферы , то обнаружится, что вероятность столкновения не должна зависеть от энергии падающего электрона. ^[1] Однако Рамзауэр и Таунсенд независимо друг от друга наблюдали ^{[2] [3]} , что для медленно движущихся электронов в аргоне , криптоне или ксеноне вероятность столкновения между электронами и атомами газа достигает минимального значения для электронов с определенным количеством кинетической энергии (около 1 электрон-вольта для газа ксенона ^[4] ). ^[5]

Никакого хорошего объяснения этого явления не существовало до введения квантовой механики , которая объясняет, что эффект является результатом волновых свойств электрона. Простая модель столкновения, которая использует волновую теорию, может предсказать существование минимума Рамзауэра-Таунсенда. Нильс Бор представил простую модель явления, которая рассматривает атом как конечную квадратную потенциальную яму . ^{[6] [7]}

Предсказать на основе теории кинетическую энергию, которая даст минимум Рамзауэра-Таунсенда, довольно сложно, поскольку проблема включает понимание волновой природы частиц. Однако проблема была тщательно исследована как экспериментально, так и теоретически и хорошо понята. ^[8]