磁聚焦法測電子荷質比

1、電子荷質比的測量胡洋洋電子荷質比的測量實驗簡介帶電粒子的電荷量與質量的比值，稱為荷質比。荷質比是帶電粒子的基本參量之一，是研究物質結構的基礎。目前測得的電子荷質比的數(shù)值為1758即962。0。53。04。帶電粒子在磁場中受電場力的作用，在磁場中受磁場力的作用，帶電粒子的運動狀態(tài)將發(fā)生變化。這種現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為科學實驗及工程技術帶來了極大的應用價值。受電場力或磁場力的作 用，帶電粒子可以聚焦，形成細束流，這是示波管和顯像管的工作基礎。利用帶電粒子在磁場和 電場中的受力聚焦而形成的電透鏡或磁透鏡，是構成電子顯微鏡的基層本組件。帶電粒子受力加速或改變運動方向，這又是直線加速器或回旋加速器的工作原理。此

2、類電磁元件和儀器設備極大 地豐富了科學研究和工程技術的方法和手段，推動了科學技術的發(fā)展。實驗原理磁聚焦法測定電子荷質比1 .帶電粒子在均勻磁場中的運動：a.設電子e在均勻磁場中以勻速 V運動。當”5時，則在洛侖茲力f作用下作圓周運動, 運動半徑為R,由=煙衣（1）得R二吧油如果條件不變，電子將周而復始地作圓周運動?？傻贸鲭娮釉谶@時的運動周期T:_2 離R 23I =廿由此可見：T只與磁場B相關而與速度 V無關。這個結論說明：當若干電子在均勻磁場中各以不同速度同時從某處出發(fā)時，只要這些速度都是與磁場B垂直，那么在經(jīng)歷了不同圓周運動，會同時在原出發(fā)地相聚。不同的只是圓周的大小不同，速度大的電子運動

3、半徑大，速度小的電子 運動半徑小（圖1）。圖1 v垂直于B圖2 v與B成日角b.若電子的速度 V與磁場B成任一角度g :我們可以把V分解為平行于磁場 B的分量埒和垂直于B的分量匕*;這時電子的真實運動是 這兩種運動的合成：電子以 兀作垂直于磁場B的圓周運動的同時，以 可作沿磁場方向的勻速直 線運動。從圖2可看出這時電子在一條螺旋線上運動?？梢杂嬎氵@條螺旋線的螺距1 :由式3得2陽哂i = V.-T =g B(4)由此可見，只要電子速度分量 匕大小相等則其運動的螺距 ,就相同。這個重要結論說明如果在一個均勻磁場中有一個電子源不斷地向外提供電子，那么不論這些電子具有怎樣的初始速度方向，他們都沿磁場

4、方向作不同的螺旋線運動，而只要保持它們沿磁場方向的速度分量相等，它們就具有相同的由式4決定的螺距。這就是說，在沿磁場方向上和電子源相距,處，電子要聚集在一起，這就是電子的旋進磁聚焦現(xiàn)象。至于廠B時，則磁場對電子的運動和聚焦均不產(chǎn)生影響。2 .利用示波管測定電子的荷質比把示波管的軸線方向沿均勻磁場 B的方向放置，在陰極 K和陽極4之間加以電壓，使陰極 發(fā)出的電子加速。設熱電子脫離陰極 K后沿磁場方向的速度為零。經(jīng)陰極 K與陽極鳥之間的電場加速后，速度為。這時電子動能增量為 2。由能量守恒定律可知，電子動能的增加應等于電場力對它做的功。如果第一陽極 &與陰極k間的電位差為 心(&和4接在一起)，則

5、此功應為： 名, 有只要電壓匕確定，電子沿磁場的速度分量 /是確定的。而且電子經(jīng)過第一陽極 A后，由于 第二陽極和兩對偏轉都與 4同電位，因此電子將不再受電場力的作用，電子沿磁場方向的速度 分量片將不再改變。把5式代入4式有可以看到?是B和瞑的函數(shù)。調節(jié)后和B的大小，可以使電子束在磁場的方向上任意位置聚 焦。當】正好等于示波管陽極和熒光屏之間的距離d時，可以在熒光屏上看到一個很小的亮點。i = d若B值增大到2倍或3倍時，會使 2 或 3 ,相應地在熒光屏上將看到第二次、第三次 聚焦。當不等于這些值時，只能看到較大的不等的光斑而不會聚焦。由式6有慮_以6布 &j 將和B之值代入上式可得電子的荷

6、質比 如。對于SJ-SS-I型電子束實驗儀來說，B是螺 線管中磁場的平均值，與電流 I的關系可表示為：B = K1（8）K為每臺儀器常數(shù)，由一起給定。對于 SJ-SS-II型電子束實驗來說，B可取螺線管中部的磁 場值。當位于螺線管中心時，令 五二口，可得B -=而F令 二 22 ,貝1j十刃（10）代入7式得出_ 十增匕短一荻百否W（ii）式中D是螺線管的直徑，L是螺線管白長度，N是螺線管的匝數(shù)，d是示波管的陽極到熒光屏 之間的距離。實驗目的1 .研究磁場幾乎平行于電子束情況下電子的運動。2 .用磁聚焦法測定電子荷質比。實驗儀器電子荷質比的測量實驗儀器電子束實驗儀電子束實驗儀顯示屏電流表、電壓

7、表實驗內容用電子實驗儀測荷質比(1)按圖9所示方法連接導線，則機內示波管電路如圖 10所示。此時第一陽極 衛(wèi)1、第二 陽極 耳、水平偏轉板和垂直偏轉板均連接在一起， 它們的電位均為 匕。勵磁電源提供磁聚焦線 圈所需的勵磁電流，產(chǎn)生與示波管軸線平行的磁場，使電子作螺旋線運動。圖9正向聚焦面板接線圖(2)將儀器面板上“功能選擇”開關旋至“磁聚”處，此時儀器工作在磁聚焦狀態(tài)。(3)接通總電源，預熱幾分鐘后，熒光屏上出現(xiàn)亮斑，亮斑輝度不夠時，可調節(jié)輝度旋鈕 或加大歷。(4)在接通勵磁電源開關前，先將“勵磁電流”旋鈕旋至最小(逆時針方向)。(5)取 匕為800V,調節(jié)勵磁電流，使光斑聚焦，記下三次聚焦時

8、勵磁電流的讀數(shù)。(6)取匕為1000V, 1200V,重復步驟(6)。(7)關閉總電源幾分鐘，改接線方式為圖11所示，此時儀器工作于反向聚焦狀態(tài)，重復步驟(6)、( 7)。(8)按表1記錄實驗數(shù)據(jù)，并處理結果，將所得結果與標準值進行比較。圖10正向聚焦時機內電路連接圖圖11反向聚焦接線圖數(shù)據(jù)記錄d= 0.193m,N=4141,D=0.0915m,L=0.296mV2 (V )I1(mA)I2(mA)I3(mA)800正18.036.254.01000正20.041.661.81200正22.845.268.0800反17.836.253.81000反20.041.462.01200反22.6

9、45.268.0數(shù)據(jù)處理(標準 e/m=1.7 6X 1011)d= 0.193m,N=4141,D=0.0915m,L=0.296mV2/V勵磁電流/mA“ I1 I2 I3、 I(=.) 1 2 3/mA色二卬匕楙-產(chǎn)/(C/kg)誤差(%)I1I2I3800正18.036.254.018.01.86X11105.71000正20.041.661.820.61.77X11100.61200正22.845.268.022.71.75X11100.6800反17.836.253.818.01.86X11105.71000反20.041.462.020.61.77X11100.61200反22.645.268.022.61.77X11100.6小結：實驗測得電子荷質比：e/m = 1.80X i011C/kgE=118x 100%=2.3%1.76仿真實驗比實體實驗的誤差小，更接近于理 論值。思考題：1.調節(jié)螺線管的勵磁電流，改變磁感應強度B觀察三次以上磁聚焦現(xiàn)象，并解釋此現(xiàn)象- 2慮 2仍/ = _ 由于 V 套B ,當B增加時，周期T減小，所以當調節(jié)電流I使彳導B 增加3倍時，周期T變?yōu)樵瓉淼娜种?。?= *，所以一個周期只能運 行在原來三分之一的距離，因此便有了三次聚焦。2 .如何利用上述各電流值計算電子荷質比。22由于L