电子荷质比测量
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电子荷质比测量
《大学物理实验II》实验指导
实验6. 电子荷质比测量
带电粒子的电量与质量的比值--荷质比(又称:比荷),是带电微观粒子的基本参量之一。荷质比的测定在近代物理学的发展中具有重大的意义,是研究物质结构的基础。1897年,J.J.汤姆逊正是在对“阴极射线”粒子荷质比的测定中,首先发现电子的。测定荷质比的方法很多,汤姆逊所用的是磁偏转法,而本实验采用磁聚焦法。
一(实验目的
1. 了解示波管的基本构造和工作原理。
2. 理解示波管中电子束电聚焦的基本原理。
3. 掌握利用作图法求电磁偏转灵敏度的数据处理方法。
二(实验原理
1. 示波管的基本结构
示波管又叫阴极射线管,以8SJ31J为例,它的构造如图6.1所示,主要包括三个部分:前端为荧光屏,中间为偏转系统,后端为电子枪。
图6.1 示波管结构示意图
(1)电子枪
电子枪的作用是发射电子,并把它们加速到一定速度聚成一细束。电子枪由灯丝、阴极K、控制栅极G、第一阳极A、第二阳极A等同轴金属圆筒和膜片组成。灯丝通电后加热阴极K,使阴极Kl2
发射电子。控制栅极G的电位比阴极低,对阴极发出的电子起排斥作用,只有初速度较大的电子才能穿过栅极的小孔并射向荧光屏,而初速度较小的电子则被电场排斥回阴极。通过调节栅极电位可以控制射向荧光屏的电子流密度,从而改变荧光屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多,对电子起加速作用,使电子获得足够的能量射向荧光屏,从而激发荧光屏上的荧光物质发光。第一阳极A称l为聚焦阳极;第二阳极A称为加速阳极,增加加速电极的电压,电子可获得更大的轰击动能,荧光2
屏的亮度可以提高,但加速电压一经确定,就不宜随时改变它来调节亮度。
(2)偏转系统
偏转系统由两对互相垂直的偏转板(平板电容器)构成,其中一对是上下放置的Y轴偏转板(或称垂直偏转板),另一对是左右放置的x轴偏转板(或称水平偏转板)。若在偏转板的极板间加上电压,则板间电场会使电子束偏转,使相应荧光屏上光点的位置发生偏移,偏移量的大小与所加电压成正比。其中,X轴偏转板使电子束在水平方向(X轴)上偏移,Y轴偏转板使电子束在垂直方向(Y轴)上偏移。
(3)荧光屏
荧光屏是用来显示电子束打在示波管端面的位置。屏上涂有荧光物质,在高速电子轰击下发出荧光。当电子射线停止作用后,荧光物质将持续一段时间后才停止发光,这段时间称为余辉时间。不同材料的荧光粉发出的颜色不同,余辉时间也不同。如果电子束长时间轰击荧光屏上固定一点,则这一点会被烧坏而形成暗斑,所以当电子束光斑需要长时间停留在屏上不动时,应将光点亮度减弱。示波管内部表
面涂有石墨导电层,叫屏蔽电极,它与第二阳极连在一起,可避免荧光屏附近电荷积累。
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《大学物理实验II》实验指导
2、研究电子束在纵向磁场作用的螺旋运动,测量电子荷质比。
在本实验中,我们把示波管套在一只螺线管通电线圈中,该螺线管长为,直径为,绕制匝LD数为,通电电流为,其轴线的中心部分的磁感应强度为 NI N (6.1) B,k,I0L
L式中为修正系数,对长直螺旋管=1,对有限长螺旋管 kk,K22L,D
由于螺线管的长度较长,示波管在螺线管的中部,故在示波管中的磁场近似可当作沿轴线方向的均匀磁场。
我们知道,在均匀磁场中以速度运动的电子,受到洛仑兹力的作用: VBF
,,,
(6.2) F,,eV,B
,,,,,,,,当与平行时,力等于零,电子的运动不受影响。当与垂直时,力垂直于和,电VVVBFBFB
,,,子在垂直于的平面内作匀速圆周运动。如图6.2 a)所示。而在一般情况下,电子运动的速度与VBB
,,,成某一角度,则速度可分解成与平行的轴向速度V(V=Vcosθ)和与垂直的横向速度 VBB////
(a) (b) V(V=Vsinθ)。图6.2 电子束在磁场中作螺旋运动的情况 ??
其中电子束运动的轴向速度V为:图6.1 电子束在磁场中做螺旋运动的情况 // eU22V, (6.3) //m
,式中是第二阳极对阴极的加速电压。V的分量使电子沿着B的方向作匀速运动,而电子束运动U//2
的横向速度V的分量则使电子作圆周运动。如图6.1a)所示。这两种分量的共同效果使电子在磁场中?
,B围绕的方向作螺旋运动。见图6.1 b)所示。从电磁学课中,我们知道电子
在磁场中绕一圈的时间(周期)T为:
2,m,T (6.4) eB
,B(4)式表明电子绕方向旋转的周期T与速度无关,即在均匀磁场中不同速度
电子绕圈一周所需的时间是相同的,虽然不同速度的电子绕圈的半径不同,但原来从一点出发的、具有不同速度的电
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子,绕了一圈以后仍然会聚于一点。如图2所示,这就是磁聚焦的原理。
在图6.2的通电螺线管的磁场中,一束电子从P1点出发,各自沿不同的轨迹
一边沿螺线管的轴
线方向前进,一边绕此轴线旋转,经过了一个周期T后又会聚于P2点。
设电子束沿螺线管轴线方向的速度为V,则P1、P2两点间的距离(即螺距h)应为: //
图6.2 磁聚焦的原理
mm2,2,hVTVV (6.5) ,,,,,,////eBeB
若我们适当地选择磁场B,即改变螺距h,使电子束聚焦的P2点恰好落在示波管的萤光屏上,则
我们就可在屏幕上观察到一个很细的亮点,电子束从阳极的进入点到屏幕的距离
,,2m2m2eU2 (6.6) ,,,,lhV//eBeBm
)式算出螺线管线圈的磁场,代入(6.6)式,解得: 再根据(6.1
2,8Ue222 (6.7) ,(L,D)2222m,lNI0
上式中的、、及均事先给出,及均可测量,于是可算得电子的荷质比,如继续增大B,lNLDIU2
使电子流旋转周期相继减小为上述的1/2、1/3……则相应地电子在磁场作用下旋转2周、3周……后聚
焦于S屏上,这称为二次聚焦、三次聚焦等等。
在保持U不变时,设光斑第一次聚焦的励磁电流为I,则根据(6.1)式和(6.5)式,第二次聚21
焦时,磁感应强度B增加一倍,电子在管内绕Z轴转两周,所需的励磁电流
I=2I,同理,第三次聚焦21的励磁电流为I=3I,所以电子束磁聚焦时一个的螺距所对应的平均励磁电流为 31
I,I,I123 (6.8) I,01,2,3