電子荷質(zhì)比的測(cè)量

1、 深圳大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心深圳大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(cè)量了陰極射線粒湯姆孫通過電磁偏轉(zhuǎn)的方法測(cè)量了陰極射線粒子的荷質(zhì)比，它比電解中的單價(jià)氫離子的荷質(zhì)比約大子的荷質(zhì)比，它比電解中的單價(jià)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(cè)量電子荷質(zhì)比的值為子。精確測(cè)量電子荷質(zhì)比的值為1.758819621.7588196210101111庫(kù)侖庫(kù)侖/ /千千克，約等于克，約等于1.761.7610101111C/kgC/kg

2、，根據(jù)測(cè)定電子的電荷，可確定，根據(jù)測(cè)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(jiǎng)。年獲諾貝爾獎(jiǎng)。JJ湯姆遜湯姆遜 (Jospeh John Thomson，18561940)英國(guó)物理學(xué)家，曾任劍橋英國(guó)物理學(xué)家，曾任劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任，培大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任，培養(yǎng)的學(xué)生有盧瑟福、玻爾、威養(yǎng)的學(xué)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(jiǎng)。了諾貝爾獎(jiǎng)。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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)湯姆孫之子，因通過實(shí)驗(yàn)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(xué)獎(jiǎng)。年獲得物理學(xué)獎(jiǎng)。 一一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康睦每v向磁場(chǎng)聚焦法測(cè)定電子荷質(zhì)比利用縱向磁場(chǎng)聚焦法測(cè)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(cè)量電子荷質(zhì)比的原理及方法。掌握利用磁控條件測(cè)量電子荷質(zhì)比的原理及方法。運(yùn)動(dòng)的電子在磁場(chǎng)中要受到洛侖茲力的作用，所受力為：運(yùn)動(dòng)的電子在磁場(chǎng)中要受到洛侖茲力的作用

4、，所受力為：二二 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理/ /2.12.1電子束在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)電子束在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn) fqvB洛侖茲力的方向始終與電子運(yùn)動(dòng)的方向垂直，對(duì)電子不作洛侖茲力的方向始終與電子運(yùn)動(dòng)的方向垂直，對(duì)電子不作功，但會(huì)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向。為簡(jiǎn)單起見，設(shè)磁場(chǎng)是均功，但會(huì)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向。為簡(jiǎn)單起見，設(shè)磁場(chǎng)是均勻的，磁感應(yīng)強(qiáng)度為勻的，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B，電子的速度，電子的速度v與磁場(chǎng)與磁場(chǎng)B垂直，電子垂直，電子在洛侖茲力的作用下作圓周運(yùn)動(dòng)，洛侖茲力就是向心力：在洛侖茲力的作用下作圓周運(yùn)動(dòng)，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(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度大小、荷質(zhì)比有關(guān)，和速度無關(guān) 電子離開磁場(chǎng)區(qū)域后不再受力的作用作直線運(yùn)動(dòng)。由圖可知：電子離開磁場(chǎng)區(qū)域后不再受力的作用作直線運(yùn)動(dòng)。由圖可知： tan2lleBRmvtan2leBsLLmv 222212AAeVveVvmm設(shè)電子進(jìn)入磁場(chǎng)前加速電壓為設(shè)電子進(jìn)入磁場(chǎng)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(lì)磁電流與勵(lì)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(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理/ /2.22.2荷

6、質(zhì)比的測(cè)量荷質(zhì)比的測(cè)量 當(dāng)電子速度當(dāng)電子速度v v與磁場(chǎng)與磁場(chǎng)B B有一定夾角進(jìn)入磁場(chǎng)后，將作螺旋運(yùn)動(dòng)有一定夾角進(jìn)入磁場(chǎng)后，將作螺旋運(yùn)動(dòng) 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(duì)來說很小，相對(duì)來說很小，v所以在所以在B B一定的時(shí)，各電子的回旋半徑不一樣，但是它們的一定的時(shí)，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(gè)周期后，同時(shí)從螺距和回旋周期也相等，也就是說經(jīng)過一個(gè)周期后，同時(shí)從電子槍發(fā)射出來但是

7、運(yùn)動(dòng)方向不同的電子，又交匯在同一點(diǎn)，電子槍發(fā)射出來但是運(yùn)動(dòng)方向不同的電子，又交匯在同一點(diǎn)，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(chǎng)方向，可以使電子束在磁場(chǎng)方向上的任意位置聚焦。當(dāng)螺距上的任意位置聚焦。當(dāng)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(shí)，可以看到電子束在熒光屏上聚成一小亮?xí)r，可以看到電子束在熒光屏上聚成一小亮點(diǎn)點(diǎn)(電子束已聚焦電子束已聚焦)，當(dāng)，當(dāng)B值增加到值增加到26倍時(shí)，會(huì)使倍時(shí)，會(huì)使h=1/2d、h=1/3d、h=1/4d、h=1/5d或或h=1/6d，相應(yīng)地可在熒光屏

8、上看到，相應(yīng)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(dāng)次聚焦。當(dāng)h不等于這些值時(shí)不等于這些值時(shí), 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(huì)聚焦。可以得出：不會(huì)聚焦。可以得出： 22228AVemh B222282AAeVhmV mmeBB e測(cè)量公式測(cè)量公式22228AVemh B0022LBn ILD2222022228INhDLVmeA）（NnL其中：其中：0：真空磁導(dǎo)率，：真空磁導(dǎo)率，n0：勵(lì)磁線圈匝密度，：勵(lì)磁線圈匝密度，N：勵(lì)磁線圈總匝數(shù)，：勵(lì)磁線圈總匝數(shù)，I為勵(lì)磁電流，為勵(lì)磁電

9、流， D為勵(lì)磁線圈平均直徑，為勵(lì)磁線圈平均直徑，L為勵(lì)磁線圈長(zhǎng)度為勵(lì)磁線圈長(zhǎng)度（1 1）（2 2）勵(lì)磁線圈長(zhǎng)度（不包括前后擋板厚度）勵(lì)磁線圈長(zhǎng)度（不包括前后擋板厚度）L L=215mm=215mm。（3 3）h= =d=180mm=180mm。（4 4）勵(lì)磁線圈骨架外直徑：）勵(lì)磁線圈骨架外直徑：D D =96mm=96mm。 (5)(5)總匝數(shù)總匝數(shù) 標(biāo)在線圈上標(biāo)在線圈上720410N A三、實(shí)驗(yàn)儀器三、實(shí)驗(yàn)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(dāng)電壓（通常加負(fù)壓）可控制電子束電流強(qiáng)度，：施加適當(dāng)電壓（通常加負(fù)壓）可控制電子束電流強(qiáng)度，也稱控制柵，柵負(fù)壓通常在也稱控制柵，柵負(fù)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(chǎng)，使加速電子向熒光屏運(yùn)動(dòng)，也：施加縱向高壓電場(chǎng)，使加速電子向熒光屏運(yùn)動(dòng)，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(dāng)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(dāng)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(dāng)電壓后構(gòu)成水平方向的橫向電場(chǎng)。在極板上施加適當(dāng)電壓后構(gòu)成水平方向的橫向電場(chǎng)。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(dāng)電壓后構(gòu)成垂直方向的橫向電場(chǎng)。在極板上施加適當(dāng)電壓后構(gòu)成垂直方向的橫向電場(chǎng)。示波管第二陽極（第二陽極圓筒的中點(diǎn)）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(diǎn)）到熒光屏的距離：典型值為值為180mm180mm四、實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)方法四、實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)方法四、實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)方法四、實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)方法在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1-1-（9 9）中，記錄電子束前三次聚焦時(shí)）中，記錄電子束前三次聚焦時(shí)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流值對(duì)應(yīng)的勵(lì)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(fù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟（，重復(fù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟（2 2）、（）、（3 3）。）。五五 使用注意事項(xiàng)使用注意事項(xiàng)1 1本實(shí)驗(yàn)儀內(nèi)示波管電源電路存

13、在高壓，勵(lì)磁電路存在直流本實(shí)驗(yàn)儀內(nèi)示波管電源電路存在高壓，勵(lì)磁電路存在直流大電流，在安裝示波管和實(shí)驗(yàn)接線時(shí)應(yīng)在關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀電源情大電流，在安裝示波管和實(shí)驗(yàn)接線時(shí)應(yīng)在關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀電源情況下進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)儀通電后，切勿觸及示波管座、亥姆霍茲況下進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)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(xiǎn)。線圈的金屬部分，以免電擊危險(xiǎn)。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(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，時(shí)間不宜的測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，時(shí)間不宜太長(zhǎng)，控制在太長(zhǎng)，控制在3 3分鐘內(nèi)，應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間施加勵(lì)磁電流，當(dāng)勵(lì)磁分鐘內(nèi)，應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間施加勵(lì)磁電流，當(dāng)勵(lì)磁電流較大時(shí)，及時(shí)記錄聚焦電流值，記錄完一組數(shù)據(jù)后，及電流較大時(shí)，及時(shí)記錄聚焦電流值，記錄完一組數(shù)據(jù)后，及時(shí)將勵(lì)磁電流調(diào)到時(shí)將勵(lì)磁電流調(diào)到0 0，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后及時(shí)關(guān)閉勵(lì)磁電流開關(guān)，以，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后及時(shí)關(guān)閉勵(lì)磁電流開關(guān)，以免勵(lì)磁線圈過熱而燒壞。免勵(lì)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(shí)驗(yàn)過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)找不到光點(diǎn)（光斑）的情況，分析、實(shí)驗(yàn)過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)找不到