電子荷質(zhì)比測量

1、實驗6. 電子荷質(zhì)比測量帶電粒子的電量與質(zhì)量的比值-荷質(zhì)比(又稱：比荷)，是帶電微觀粒子的基本參量之一。荷質(zhì)比的測定在近代物理學(xué)的發(fā)展中具有重大的意義，是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。1897年，J.J.湯姆遜正是在對“陰極射線”粒子荷質(zhì)比的測定中，首先發(fā)現(xiàn)電子的。測定荷質(zhì)比的方法很多，湯姆遜所用的是磁偏轉(zhuǎn)法，而本實驗采用磁聚焦法。一實驗?zāi)康?. 了解示波管的基本構(gòu)造和工作原理。2. 理解示波管中電子束電聚焦的基本原理。3. 掌握利用作圖法求電磁偏轉(zhuǎn)靈敏度的數(shù)據(jù)處理方法。二實驗原理1. 示波管的基本結(jié)構(gòu)示波管又叫陰極射線管，以8SJ31J為例，它的構(gòu)造如圖6.1所示，主要包括三個部分：前端為熒光屏，中間

2、為偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，后端為電子槍。 圖6.1 示波管結(jié)構(gòu)示意圖（1）電子槍電子槍的作用是發(fā)射電子，并把它們加速到一定速度聚成一細(xì)束。電子槍由燈絲、陰極K、控制柵極G、第一陽極Al、第二陽極A2等同軸金屬圓筒和膜片組成。燈絲通電后加熱陰極K，使陰極K發(fā)射電子?？刂茤艠OG的電位比陰極低，對陰極發(fā)出的電子起排斥作用，只有初速度較大的電子才能穿過柵極的小孔并射向熒光屏，而初速度較小的電子則被電場排斥回陰極。通過調(diào)節(jié)柵極電位可以控制射向熒光屏的電子流密度，從而改變熒光屏上的光斑亮度。陽極電位比陰極電位高很多，對電子起加速作用，使電子獲得足夠的能量射向熒光屏，從而激發(fā)熒光屏上的熒光物質(zhì)發(fā)光。第一陽極Al稱為聚焦陽

3、極；第二陽極A2稱為加速陽極，增加加速電極的電壓，電子可獲得更大的轟擊動能，熒光屏的亮度可以提高，但加速電壓一經(jīng)確定，就不宜隨時改變它來調(diào)節(jié)亮度。（2）偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由兩對互相垂直的偏轉(zhuǎn)板(平板電容器)構(gòu)成，其中一對是上下放置的Y軸偏轉(zhuǎn)板(或稱垂直偏轉(zhuǎn)板)，另一對是左右放置的x軸偏轉(zhuǎn)板(或稱水平偏轉(zhuǎn)板)。若在偏轉(zhuǎn)板的極板間加上電壓，則板間電場會使電子束偏轉(zhuǎn)，使相應(yīng)熒光屏上光點的位置發(fā)生偏移，偏移量的大小與所加電壓成正比。其中，X軸偏轉(zhuǎn)板使電子束在水平方向(X軸)上偏移，Y軸偏轉(zhuǎn)板使電子束在垂直方向(Y軸)上偏移。（3）熒光屏熒光屏是用來顯示電子束打在示波管端面的位置。屏上涂有熒光物質(zhì)，在高速

4、電子轟擊下發(fā)出熒光。當(dāng)電子射線停止作用后，熒光物質(zhì)將持續(xù)一段時間后才停止發(fā)光，這段時間稱為余輝時間。不同材料的熒光粉發(fā)出的顏色不同，余輝時間也不同。如果電子束長時間轟擊熒光屏上固定一點，則這一點會被燒壞而形成暗斑，所以當(dāng)電子束光斑需要長時間停留在屏上不動時，應(yīng)將光點亮度減弱。示波管內(nèi)部表面涂有石墨導(dǎo)電層，叫屏蔽電極，它與第二陽極連在一起，可避免熒光屏附近電荷積累。2、研究電子束在縱向磁場作用的螺旋運動，測量電子荷質(zhì)比。在本實驗中，我們把示波管套在一只螺線管通電線圈中，該螺線管長為，直徑為，繞制匝數(shù)為，通電電流為，其軸線的中心部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 (6.1)式中為修正系數(shù)，對長直螺旋管=1，對有限

5、長螺旋管由于螺線管的長度較長，示波管在螺線管的中部，故在示波管中的磁場近似可當(dāng)作沿軸線方向的均勻磁場。我們知道，在均勻磁場中以速度運動的電子,受到洛侖茲力的作用: （6.2）（b）圖6.1 電子束在磁場中做螺旋運動的情況當(dāng)與平行時，力等于零，電子的運動不受影響。當(dāng)與垂直時，力垂直于和，電子在垂直于的平面內(nèi)作勻速圓周運動。如圖6.2 a)所示。而在一般情況下，電子運動的速度與成某一角度，則速度可分解成與平行的軸向速度V/（V/=Vcos）和與垂直的橫向速度（a）V（V=Vsin）。 圖6.2 電子束在磁場中作螺旋運動的情況 其中電子束運動的軸向速度為： （6.3）式中是第二陽極對陰極的加速電壓。

6、V/的分量使電子沿著的方向作勻速運動，而電子束運動的橫向速度V的分量則使電子作圓周運動。如圖6.1a)所示。這兩種分量的共同效果使電子在磁場中圍繞的方向作螺旋運動。見圖6.1 b）所示。從電磁學(xué)課中，我們知道電子在磁場中繞一圈的時間（周期）T為： （6.4）（4）式表明電子繞方向旋轉(zhuǎn)的周期T與速度無關(guān)，即在均勻磁場中不同速度電子繞圈一周所需的時間是相同的，雖然不同速度的電子繞圈的半徑不同，但原來從一點出發(fā)的、具有不同速度的電子，繞了一圈以后仍然會聚于一點。如圖2所示，這就是磁聚焦的原理。在圖6.2的通電螺線管的磁場中，一束電子從P1點出發(fā)，各自沿不同的軌跡一邊沿螺線管的軸線方向前進(jìn)，一邊繞此軸

7、線旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過了一個周期T后又會聚于P2點。 圖6.2 磁聚焦的原理設(shè)電子束沿螺線管軸線方向的速度為V/，則P1、P2兩點間的距離（即螺距h）應(yīng)為： （6.5）若我們適當(dāng)?shù)剡x擇磁場B，即改變螺距h,使電子束聚焦的P2點恰好落在示波管的螢光屏上，則我們就可在屏幕上觀察到一個很細(xì)的亮點，電子束從陽極的進(jìn)入點到屏幕的距離 （6.6）再根據(jù)（6.1）式算出螺線管線圈的磁場，代入（6.6）式，解得： （6.7）上式中的、及均事先給出，及均可測量，于是可算得電子的荷質(zhì)比，如繼續(xù)增大B，使電子流旋轉(zhuǎn)周期相繼減小為上述的1/2、1/3則相應(yīng)地電子在磁場作用下旋轉(zhuǎn)2周、3周后聚焦于S屏上，這稱為二次聚焦、三次聚焦

8、等等。在保持U2不變時，設(shè)光斑第一次聚焦的勵磁電流為I1，則根據(jù)（6.1）式和（6.5）式，第二次聚焦時，磁感應(yīng)強(qiáng)度B增加一倍，電子在管內(nèi)繞Z軸轉(zhuǎn)兩周，所需的勵磁電流I2=2I1，同理，第三次聚焦的勵磁電流為I3=3I1，所以電子束磁聚焦時一個的螺距所對應(yīng)的平均勵磁電流為 （6.8）將（6.8）式求得的I0代替（6.7）式中的I，可得： （6.9）改變加速電壓U2的值，重新測量，實驗時要求U2分別取三個不同值，對每個U2值實現(xiàn)三次聚焦，測出e/m，求出平均值，并與公認(rèn)值e/m=1.75881962×1011C/kg比較，求出百分誤差。儀器相關(guān)參數(shù)：D螺線管線圈平均直徑，D =0.09

9、0m;L螺線管線圈長度，L =0.230m;N螺線管線圈匝數(shù)，N =1300T； 電子束從柵極G交叉點至熒光屏的距離，即電子束在均勻磁場中聚焦的螺（焦）距，=0.192m;I0 為光斑進(jìn)行三次聚焦時對應(yīng)的勵磁電流的平均值；本實驗建議電壓調(diào)節(jié)范圍為1000V1300V（也可選其它電壓值）。三. 實驗內(nèi)容與步驟1. 打開儀器，接上示波管。接通儀器右上角電源插頭，分別打開電子束電源開關(guān)和穩(wěn)壓電源開關(guān)。調(diào)節(jié)亮度旋鈕（即調(diào)節(jié)柵壓相對于陰極的負(fù)電壓），聚焦鈕（即調(diào)節(jié)第一陽極電壓，可改變電子透鏡的焦距，達(dá)到聚焦的目的）和加速電壓旋鈕，觀察各旋鈕的作用。（實驗中必須注意，亮點的亮度切勿過亮，以免燒壞熒光屏。并

10、觀察柵極相對于陰極的負(fù)電壓對亮度的影響，并說明原因）。2.測荷質(zhì)比（1）將電流的輸出端與螺線管兩端連接接起來（此電流即為提供螺線管的勵磁電流）。（2）調(diào)節(jié)加速電壓旋鈕，以改變加速電壓約為1000V（也可為建議的其它值），聚焦電壓旋鈕逆時針旋到底，柵壓旋鈕旋到適中位置(光點不要太亮)。(此時電子束交叉點發(fā)散的電子在熒光屏上形成光斑是散焦的）。（3）調(diào)節(jié)勵磁電流I，觀察第一次聚焦現(xiàn)象，繼續(xù)加大勵磁電流I以加大螺線管磁場B，這時將觀察到第二次聚焦，第三次聚焦等，分別記錄三次聚焦的電流值，并代入（6.8）式和（6.9）式計算出荷質(zhì)比e/m。 (4)改變第二陽極加速電壓U2,再次分別記錄第一次、第二次、第三次聚焦的勵磁電流值，并計算荷質(zhì)比e/m。（5）將螺線管磁場的方向反向（即改變勵磁電流的方向），重復(fù)步驟（3）、（4）的內(nèi)容，共測量四次，將實驗數(shù)據(jù)記錄在表6.1-表6.4中。（6）最后計算各次測量荷質(zhì)比的總平均值，與公認(rèn)值比較。四實驗數(shù)據(jù)記錄表6.1表6.4 電子荷質(zhì)比測量數(shù)據(jù)記錄表（共四個相同的表格）正向加速電壓/V電 流/A平均勵磁電流I0I1I2I3I0 = A e/m = C/Kg五實驗數(shù)據(jù)處理和實驗結(jié)果各次測量荷質(zhì)比的總平均值： C/Kg相對測量誤差：六注意事項(1) 本儀器使用時，