電子荷質(zhì)比的測量

1、 深圳大學物理實驗教學中心深圳大學物理實驗教學中心歷史回眸歷史回眸18971897年年J.J.J.J.湯姆孫通過電磁偏轉(zhuǎn)的方法測量了陰極射線粒湯姆孫通過電磁偏轉(zhuǎn)的方法測量了陰極射線粒子的荷質(zhì)比，它比電解中的單價氫離子的荷質(zhì)比約大子的荷質(zhì)比，它比電解中的單價氫離子的荷質(zhì)比約大20002000倍，倍，從而發(fā)現(xiàn)了比氫原子更小的組成原子的物質(zhì)單元，定名為電從而發(fā)現(xiàn)了比氫原子更小的組成原子的物質(zhì)單元，定名為電子。精確測量電子荷質(zhì)比的值為子。精確測量電子荷質(zhì)比的值為1.758819621.7588196210101111庫侖庫侖/ /千千克，約等于克，約等于1.761.7610101111C/kgC/kg

2、，根據(jù)測定電子的電荷，可確定，根據(jù)測定電子的電荷，可確定電子的質(zhì)量。電子的質(zhì)量。 荷質(zhì)比荷質(zhì)比（e/m）：帶電體的電荷量和質(zhì)量的比值，叫做荷質(zhì)：帶電體的電荷量和質(zhì)量的比值，叫做荷質(zhì)比，比， 又稱又稱“比荷比荷”，電子的基本常數(shù)之一。，電子的基本常數(shù)之一。JJJJ湯姆遜于湯姆遜于19061906年獲諾貝爾獎。年獲諾貝爾獎。JJ湯姆遜湯姆遜 (Jospeh John Thomson，18561940)英國物理學家，曾任劍橋英國物理學家，曾任劍橋大學卡文迪什實驗室主任，培大學卡文迪什實驗室主任，培養(yǎng)的學生有盧瑟福、玻爾、威養(yǎng)的學生有盧瑟福、玻爾、威爾遜等多人，他們都先后榮獲爾遜等多人，他們都先后榮獲

3、了諾貝爾獎。了諾貝爾獎。J.J.J.J.湯姆遜像湯姆遜像G.P.湯姆遜湯姆遜 （George Paget Thomson，1892-1975），），J.J.湯姆孫之子，因通過實驗發(fā)現(xiàn)湯姆孫之子，因通過實驗發(fā)現(xiàn)受電子照射的晶體中的干涉現(xiàn)受電子照射的晶體中的干涉現(xiàn)象，象，1937年獲得物理學獎。年獲得物理學獎。 一一 實驗目的實驗目的利用縱向磁場聚焦法測定電子荷質(zhì)比利用縱向磁場聚焦法測定電子荷質(zhì)比e/me/m，了解和，了解和掌握利用磁控條件測量電子荷質(zhì)比的原理及方法。掌握利用磁控條件測量電子荷質(zhì)比的原理及方法。運動的電子在磁場中要受到洛侖茲力的作用，所受力為：運動的電子在磁場中要受到洛侖茲力的作用

4、，所受力為：二二 實驗原理實驗原理/ /2.12.1電子束在磁場中的偏轉(zhuǎn)電子束在磁場中的偏轉(zhuǎn) fqvB洛侖茲力的方向始終與電子運動的方向垂直，對電子不作洛侖茲力的方向始終與電子運動的方向垂直，對電子不作功，但會改變電子的運動方向。為簡單起見，設磁場是均功，但會改變電子的運動方向。為簡單起見，設磁場是均勻的，磁感應強度為勻的，磁感應強度為B B，電子的速度，電子的速度v與磁場與磁場B垂直，電子垂直，電子在洛侖茲力的作用下作圓周運動，洛侖茲力就是向心力：在洛侖茲力的作用下作圓周運動，洛侖茲力就是向心力：2mvqvBR電子回旋半徑為：電子回旋半徑為： 電子回旋周期為：電子回旋周期為： mvReB2

5、RTeB電子的回旋周期和磁感應強度大小、荷質(zhì)比有關(guān)，和速度無關(guān)電子的回旋周期和磁感應強度大小、荷質(zhì)比有關(guān)，和速度無關(guān) 電子離開磁場區(qū)域后不再受力的作用作直線運動。由圖可知：電子離開磁場區(qū)域后不再受力的作用作直線運動。由圖可知： tan2lleBRmvtan2leBsLLmv 222212AAeVveVvmm設電子進入磁場前加速電壓為設電子進入磁場前加速電壓為VA2，電子從加速極射出的速度：電子從加速極射出的速度：202AeslLmVnI0BnI位移位移s s與勵磁電流與勵磁電流I I成正比，而與加速電壓的平方根成反比成正比，而與加速電壓的平方根成反比 二二 實驗原理實驗原理/ /2.22.2荷

6、質(zhì)比的測量荷質(zhì)比的測量 當電子速度當電子速度v v與磁場與磁場B B有一定夾角進入磁場后，將作螺旋運動有一定夾角進入磁場后，將作螺旋運動 mvReB2 mTeBhvT回旋半徑為：回旋半徑為： 回旋周期：回旋周期：螺距為：螺距為：222AeVhvmmTeB22AeVvvm加速電壓加速電壓V VA2A2較大，有幾千伏，所以較大，有幾千伏，所以 相對來說很小，相對來說很小，v所以在所以在B B一定的時，各電子的回旋半徑不一樣，但是它們的一定的時，各電子的回旋半徑不一樣，但是它們的螺距和回旋周期也相等，也就是說經(jīng)過一個周期后，同時從螺距和回旋周期也相等，也就是說經(jīng)過一個周期后，同時從電子槍發(fā)射出來但是

7、運動方向不同的電子，又交匯在同一點，電子槍發(fā)射出來但是運動方向不同的電子，又交匯在同一點，這就是這就是磁聚焦磁聚焦 h是是B和和VA2的函數(shù)，調(diào)節(jié)的函數(shù)，調(diào)節(jié)B和和VA2，可以使電子束在磁場方向，可以使電子束在磁場方向上的任意位置聚焦。當螺距上的任意位置聚焦。當螺距h剛好等于示波管的第二陽極到熒剛好等于示波管的第二陽極到熒光屏之間的距離光屏之間的距離d時，可以看到電子束在熒光屏上聚成一小亮時，可以看到電子束在熒光屏上聚成一小亮點點(電子束已聚焦電子束已聚焦)，當，當B值增加到值增加到26倍時，會使倍時，會使h=1/2d、h=1/3d、h=1/4d、h=1/5d或或h=1/6d，相應地可在熒光屏

8、上看到，相應地可在熒光屏上看到第二次聚焦、第三次聚焦、第四次聚焦、第五次聚焦、第六第二次聚焦、第三次聚焦、第四次聚焦、第五次聚焦、第六次聚焦。當次聚焦。當h不等于這些值時不等于這些值時, 只能看到圓圈的光斑，電子束只能看到圓圈的光斑，電子束不會聚焦?？梢缘贸觯翰粫劢埂？梢缘贸觯?22228AVemh B222282AAeVhmV mmeBB e測量公式測量公式22228AVemh B0022LBn ILD2222022228INhDLVmeA）（NnL其中：其中：0：真空磁導率，：真空磁導率，n0：勵磁線圈匝密度，：勵磁線圈匝密度，N：勵磁線圈總匝數(shù)，：勵磁線圈總匝數(shù)，I為勵磁電流，為勵磁電

9、流， D為勵磁線圈平均直徑，為勵磁線圈平均直徑，L為勵磁線圈長度為勵磁線圈長度（1 1）（2 2）勵磁線圈長度（不包括前后擋板厚度）勵磁線圈長度（不包括前后擋板厚度）L L=215mm=215mm。（3 3）h= =d=180mm=180mm。（4 4）勵磁線圈骨架外直徑：）勵磁線圈骨架外直徑：D D =96mm=96mm。 (5)(5)總匝數(shù)總匝數(shù) 標在線圈上標在線圈上720410N A三、實驗儀器三、實驗儀器示波管各電極結(jié)構(gòu)示波管各電極結(jié)構(gòu) 燈絲燈絲F F：加熱陰極，加：加熱陰極，加6.3V6.3V電壓。電壓。陰極陰極K K：被加熱后能向外發(fā)射自由電子，也稱發(fā)射極。：被加熱后能向外發(fā)射自由

10、電子，也稱發(fā)射極。柵極柵極G G：施加適當電壓（通常加負壓）可控制電子束電流強度，：施加適當電壓（通常加負壓）可控制電子束電流強度，也稱控制柵，柵負壓通常在也稱控制柵，柵負壓通常在-70-70-10V-10V之間。之間。第二陽極第二陽極A2A2：施加縱向高壓電場，使加速電子向熒光屏運動，也：施加縱向高壓電場，使加速電子向熒光屏運動，也稱加速極，加速電壓通常為稱加速極，加速電壓通常為1000V1000V以上。以上。第一陽極第一陽極A1A1：為一圓盤結(jié)構(gòu)，介于第二陽極的圓筒和圓盤之間，：為一圓盤結(jié)構(gòu)，介于第二陽極的圓筒和圓盤之間，施加適當電壓能使電子束恰好在熒光屏上聚焦，因此也稱聚焦極，施加適當電

11、壓能使電子束恰好在熒光屏上聚焦，因此也稱聚焦極，通常加數(shù)百伏正向電壓。通常加數(shù)百伏正向電壓。水平偏轉(zhuǎn)極板：水平偏轉(zhuǎn)極板：X1X1和和X2X2為處于示波管中一前一后的兩塊金屬板，為處于示波管中一前一后的兩塊金屬板，在極板上施加適當電壓后構(gòu)成水平方向的橫向電場。在極板上施加適當電壓后構(gòu)成水平方向的橫向電場。垂直偏轉(zhuǎn)極板：垂直偏轉(zhuǎn)極板：Y1Y1和和Y2Y2為處于示波管中一上一下的兩塊金屬板，為處于示波管中一上一下的兩塊金屬板，在極板上施加適當電壓后構(gòu)成垂直方向的橫向電場。在極板上施加適當電壓后構(gòu)成垂直方向的橫向電場。示波管第二陽極（第二陽極圓筒的中點）到熒光屏的距離：典型示波管第二陽極（第二陽極圓筒

12、的中點）到熒光屏的距離：典型值為值為180mm180mm四、實驗調(diào)節(jié)方法四、實驗調(diào)節(jié)方法四、實驗調(diào)節(jié)方法四、實驗調(diào)節(jié)方法在實驗內(nèi)容與步驟在實驗內(nèi)容與步驟1-1-（9 9）中，記錄電子束前三次聚焦時）中，記錄電子束前三次聚焦時對應的勵磁電流值對應的勵磁電流值I I1 1、I I2 2、I I3 3。（4 4）改變加速電壓）改變加速電壓V VA A2 2，使加速電壓，使加速電壓V VA A2 2為為1000V1000V、1100V1100V、1200V1200V，重復實驗內(nèi)容與步驟（，重復實驗內(nèi)容與步驟（2 2）、（）、（3 3）。）。五五 使用注意事項使用注意事項1 1本實驗儀內(nèi)示波管電源電路存

13、在高壓，勵磁電路存在直流本實驗儀內(nèi)示波管電源電路存在高壓，勵磁電路存在直流大電流，在安裝示波管和實驗接線時應在關(guān)閉實驗儀電源情大電流，在安裝示波管和實驗接線時應在關(guān)閉實驗儀電源情況下進行。在實驗儀通電后，切勿觸及示波管座、亥姆霍茲況下進行。在實驗儀通電后，切勿觸及示波管座、亥姆霍茲線圈的金屬部分，以免電擊危險。線圈的金屬部分，以免電擊危險。2 2 、在作磁聚焦及電子荷質(zhì)比、在作磁聚焦及電子荷質(zhì)比e/me/m的測定實驗時，時間不宜的測定實驗時，時間不宜太長，控制在太長，控制在3 3分鐘內(nèi)，應避免長時間施加勵磁電流，當勵磁分鐘內(nèi)，應避免長時間施加勵磁電流，當勵磁電流較大時，及時記錄聚焦電流值，記錄完一組數(shù)據(jù)后，及電流較大時，及時記錄聚焦電流值，記錄完一組數(shù)據(jù)后，及時將勵磁電流調(diào)到時將勵磁電流調(diào)到0 0，實驗結(jié)束后及時關(guān)閉勵磁電流開關(guān)，以，實驗結(jié)束后及時關(guān)閉勵磁電流開關(guān)，以免勵磁線圈過熱而燒壞。免勵磁線圈過熱而燒壞。3 3示波管輝度調(diào)節(jié)適中，以免影響熒光屏的使用壽命。示波管輝度調(diào)節(jié)適中，以免影響熒光屏的使用壽命。五、思考題五、思考題1、實驗過程中有時會出現(xiàn)找不到光點（光斑）的情況，分析、實驗過程中有時會出現(xiàn)找不到