电子荷质比的测量

1、 深圳大学物理实验教学中心深圳大学物理实验教学中心历史回眸历史回眸18971897年年J.J.J.J.汤姆孙通过电磁偏转的方法测量了阴极射线粒汤姆孙通过电磁偏转的方法测量了阴极射线粒子的荷质比，它比电解中的单价氢离子的荷质比约大子的荷质比，它比电解中的单价氢离子的荷质比约大20002000倍，倍，从而发现了比氢原子更小的组成原子的物质单元，定名为电从而发现了比氢原子更小的组成原子的物质单元，定名为电子。精确测量电子荷质比的值为子。精确测量电子荷质比的值为1.758819621.7588196210101111库仑库仑/ /千千克，约等于克，约等于1.761.7610101111C/kgC/kg

2、，根据测定电子的电荷，可确定，根据测定电子的电荷，可确定电子的质量。电子的质量。 荷质比荷质比（e/m）：带电体的电荷量和质量的比值，叫做荷质：带电体的电荷量和质量的比值，叫做荷质比，比， 又称又称“比荷比荷”，电子的基本常数之一。，电子的基本常数之一。JJJJ汤姆逊于汤姆逊于19061906年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。JJ汤姆逊汤姆逊 (Jospeh John Thomson，18561940)英国物理学家，曾任剑桥英国物理学家，曾任剑桥大学卡文迪什实验室主任，培大学卡文迪什实验室主任，培养的学生有卢瑟福、玻尔、威养的学生有卢瑟福、玻尔、威尔逊等多人，他们都先后荣获尔逊等多人，他们都先后荣获

3、了诺贝尔奖。了诺贝尔奖。J.J.J.J.汤姆逊像汤姆逊像G.P.汤姆逊汤姆逊 （George Paget Thomson，1892-1975），），J.J.汤姆孙之子，因通过实验发现汤姆孙之子，因通过实验发现受电子照射的晶体中的干涉现受电子照射的晶体中的干涉现象，象，1937年获得物理学奖。年获得物理学奖。 一一 实验目的实验目的利用纵向磁场聚焦法测定电子荷质比利用纵向磁场聚焦法测定电子荷质比e/me/m，了解和，了解和掌握利用磁控条件测量电子荷质比的原理及方法。掌握利用磁控条件测量电子荷质比的原理及方法。运动的电子在磁场中要受到洛仑兹力的作用，所受力为：运动的电子在磁场中要受到洛仑兹力的作用

4、，所受力为：二二 实验原理实验原理/ /2.12.1电子束在磁场中的偏转电子束在磁场中的偏转 fqvB洛仑兹力的方向始终与电子运动的方向垂直，对电子不作洛仑兹力的方向始终与电子运动的方向垂直，对电子不作功，但会改变电子的运动方向。为简单起见，设磁场是均功，但会改变电子的运动方向。为简单起见，设磁场是均匀的，磁感应强度为匀的，磁感应强度为B B，电子的速度，电子的速度v与磁场与磁场B垂直，电子垂直，电子在洛仑兹力的作用下作圆周运动，洛仑兹力就是向心力：在洛仑兹力的作用下作圆周运动，洛仑兹力就是向心力：2mvqvBR电子回旋半径为：电子回旋半径为： 电子回旋周期为：电子回旋周期为： mvReB2

5、RTeB电子的回旋周期和磁感应强度大小、荷质比有关，和速度无关电子的回旋周期和磁感应强度大小、荷质比有关，和速度无关 电子离开磁场区域后不再受力的作用作直线运动。由图可知：电子离开磁场区域后不再受力的作用作直线运动。由图可知： tan2lleBRmvtan2leBsLLmv 222212AAeVveVvmm设电子进入磁场前加速电压为设电子进入磁场前加速电压为VA2，电子从加速极射出的速度：电子从加速极射出的速度：202AeslLmVnI0BnI位移位移s s与励磁电流与励磁电流I I成正比，而与加速电压的平方根成反比成正比，而与加速电压的平方根成反比 二二 实验原理实验原理/ /2.22.2荷

6、质比的测量荷质比的测量 当电子速度当电子速度v v与磁场与磁场B B有一定夹角进入磁场后，将作螺旋运动有一定夹角进入磁场后，将作螺旋运动 mvReB2 mTeBhvT回旋半径为：回旋半径为： 回旋周期：回旋周期：螺距为：螺距为：222AeVhvmmTeB22AeVvvm加速电压加速电压V VA2A2较大，有几千伏，所以较大，有几千伏，所以 相对来说很小，相对来说很小，v所以在所以在B B一定的时，各电子的回旋半径不一样，但是它们的一定的时，各电子的回旋半径不一样，但是它们的螺距和回旋周期也相等，也就是说经过一个周期后，同时从螺距和回旋周期也相等，也就是说经过一个周期后，同时从电子枪发射出来但是

7、运动方向不同的电子，又交汇在同一点，电子枪发射出来但是运动方向不同的电子，又交汇在同一点，这就是这就是磁聚焦磁聚焦 h是是B和和VA2的函数，调节的函数，调节B和和VA2，可以使电子束在磁场方向，可以使电子束在磁场方向上的任意位置聚焦。当螺距上的任意位置聚焦。当螺距h刚好等于示波管的第二阳极到荧刚好等于示波管的第二阳极到荧光屏之间的距离光屏之间的距离d时，可以看到电子束在荧光屏上聚成一小亮时，可以看到电子束在荧光屏上聚成一小亮点点(电子束已聚焦电子束已聚焦)，当，当B值增加到值增加到26倍时，会使倍时，会使h=1/2d、h=1/3d、h=1/4d、h=1/5d或或h=1/6d，相应地可在荧光屏

8、上看到，相应地可在荧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。当次聚焦。当h不等于这些值时不等于这些值时, 只能看到圆圈的光斑，电子束只能看到圆圈的光斑，电子束不会聚焦。可以得出：不会聚焦。可以得出： 22228AVemh B222282AAeVhmV mmeBB e测量公式测量公式22228AVemh B0022LBn ILD2222022228INhDLVmeA）（NnL其中：其中：0：真空磁导率，：真空磁导率，n0：励磁线圈匝密度，：励磁线圈匝密度，N：励磁线圈总匝数，：励磁线圈总匝数，I为励磁电流，为励磁电

9、流， D为励磁线圈平均直径，为励磁线圈平均直径，L为励磁线圈长度为励磁线圈长度（1 1）（2 2）励磁线圈长度（不包括前后挡板厚度）励磁线圈长度（不包括前后挡板厚度）L L=215mm=215mm。（3 3）h= =d=180mm=180mm。（4 4）励磁线圈骨架外直径：）励磁线圈骨架外直径：D D =96mm=96mm。 (5)(5)总匝数总匝数 标在线圈上标在线圈上720410N A三、实验仪器三、实验仪器示波管各电极结构示波管各电极结构 灯丝灯丝F F：加热阴极，加：加热阴极，加6.3V6.3V电压。电压。阴极阴极K K：被加热后能向外发射自由电子，也称发射极。：被加热后能向外发射自由

10、电子，也称发射极。栅极栅极G G：施加适当电压（通常加负压）可控制电子束电流强度，：施加适当电压（通常加负压）可控制电子束电流强度，也称控制栅，栅负压通常在也称控制栅，栅负压通常在-70-70-10V-10V之间。之间。第二阳极第二阳极A2A2：施加纵向高压电场，使加速电子向荧光屏运动，也：施加纵向高压电场，使加速电子向荧光屏运动，也称加速极，加速电压通常为称加速极，加速电压通常为1000V1000V以上。以上。第一阳极第一阳极A1A1：为一圆盘结构，介于第二阳极的圆筒和圆盘之间，：为一圆盘结构，介于第二阳极的圆筒和圆盘之间，施加适当电压能使电子束恰好在荧光屏上聚焦，因此也称聚焦极，施加适当电

11、压能使电子束恰好在荧光屏上聚焦，因此也称聚焦极，通常加数百伏正向电压。通常加数百伏正向电压。水平偏转极板：水平偏转极板：X1X1和和X2X2为处于示波管中一前一后的两块金属板，为处于示波管中一前一后的两块金属板，在极板上施加适当电压后构成水平方向的横向电场。在极板上施加适当电压后构成水平方向的横向电场。垂直偏转极板：垂直偏转极板：Y1Y1和和Y2Y2为处于示波管中一上一下的两块金属板，为处于示波管中一上一下的两块金属板，在极板上施加适当电压后构成垂直方向的横向电场。在极板上施加适当电压后构成垂直方向的横向电场。示波管第二阳极（第二阳极圆筒的中点）到荧光屏的距离：典型示波管第二阳极（第二阳极圆筒

12、的中点）到荧光屏的距离：典型值为值为180mm180mm四、实验调节方法四、实验调节方法四、实验调节方法四、实验调节方法在实验内容与步骤在实验内容与步骤1-1-（9 9）中，记录电子束前三次聚焦时）中，记录电子束前三次聚焦时对应的励磁电流值对应的励磁电流值I I1 1、I I2 2、I I3 3。（4 4）改变加速电压）改变加速电压V VA A2 2，使加速电压，使加速电压V VA A2 2为为1000V1000V、1100V1100V、1200V1200V，重复实验内容与步骤（，重复实验内容与步骤（2 2）、（）、（3 3）。）。五五 使用注意事项使用注意事项1 1本实验仪内示波管电源电路存

13、在高压，励磁电路存在直流本实验仪内示波管电源电路存在高压，励磁电路存在直流大电流，在安装示波管和实验接线时应在关闭实验仪电源情大电流，在安装示波管和实验接线时应在关闭实验仪电源情况下进行。在实验仪通电后，切勿触及示波管座、亥姆霍兹况下进行。在实验仪通电后，切勿触及示波管座、亥姆霍兹线圈的金属部分，以免电击危险。线圈的金属部分，以免电击危险。2 2 、在作磁聚焦及电子荷质比、在作磁聚焦及电子荷质比e/me/m的测定实验时，时间不宜的测定实验时，时间不宜太长，控制在太长，控制在3 3分钟内，应避免长时间施加励磁电流，当励磁分钟内，应避免长时间施加励磁电流，当励磁电流较大时，及时记录聚焦电流值，记录完一组数据后，及电流较大时，及时记录聚焦电流值，记录完一组数据后，及时将励磁电流调到时将励磁电流调到0 0，实验结束后及时关闭励磁电流开关，以，实验结束后及时关闭励磁电流开关，以免励磁线圈过热而烧坏。免励磁线圈过热而烧坏。3 3示波管辉度调节适中，以免影响荧光屏的使用寿命。示波管辉度调节适中，以免影响荧光屏的使用寿命。五、思考题五、思考题1、实验过程中有时会出现找不到光点（光斑）的情况，分析、实验过程中有时会出现找不到