济南大学电子束荷质比实验讲义

面的一些常数(例如光在真空中的速度c,阿伏加德罗常数N，电子电荷e,电子的静止质量m)是物理学实验的重要任务之一，而且测量的精确度往往会影响物理学的进一步发展和一些重要的2、了解电子束发生电偏转、电聚焦、磁偏转、磁聚焦的原理；电子束实验仪的工作原理与示波管相同，它包括抽成真空的玻璃外壳、电子枪、偏转系统与荧光屏四两者之间用陶瓷套管绝缘。当灯丝通电(6.3伏交流)被加热到一定温度时，将会在阴极材料表面空间逸出自由电子(热电子)。与阴极同轴布置有四个圆筒的电极，它们是各自带有小圆孔的隔板。电极G称为栅极，它的工作电位相对于阴极大约是5-20V的负电位，它产生一个电场是要把从阴极发射出的电子推回到阴极去，只有那些能量足以克服这一阻止电场作用的电子才能穿过控制栅极。因此，改变这个电位，便 偏转系统-1--2-D=kdL(1)D=kdL(1)(2)(二)、实验原理1、电偏转：电子束+横向电场l电偏转原理如图2所示。通常在示波管(又称电子束线l++++++Zd沿++++++Zd用，使电子的运动轨道发生偏移。假定偏转电场在偏转板l范围内是均匀的，电子作抛物线运动，在偏转板外，电场为零，电子不受力，作匀速直线运动。在偏转板之内------eEZeEZ2mv00202202代入(1)式，得dYVltg==dYVldZ2VdZ=l2L代入(2)式，得中的其它量是与示波管结构有关的常数故可写成VV2(4)keV呈线性关系。为了反映电偏转的灵敏程度，定义==k()电VeVd2(5)称为电偏转灵敏度，单位为毫米/伏。越大，表示电偏转系统的灵敏度越高。2、磁偏转：电子束+横向磁场-3-(1)研究横向磁场对电子束的偏转，测量磁偏转灵敏度并得出它和加速电压平方根成反比的规律。运动的电子在磁场中要受到洛仑兹力的作用，所受力为B可见洛仑兹力的方向始终与电子运动的方向垂直，所以洛仑兹力对运动的电子不作功，但它要改变电子的运动方向。本实验将要观察和研究电子束在与之垂直的磁场作用下的偏转情况。为简单起见，设磁场运动。洛仑兹力就是电子作圆周运动的向心力。电子离开磁场区域后，因为磁场为零，电子不再受任何力的作用，应作直线运动。由图六可知0lleBtg==0leBs=L.tg=L(7)(8)3图4设电子进入磁场前加速电压为V，则加速电场对电子作的功全部转变成电子的动能有212es=lBL2mV2(9)(10)如果磁场是由螺线管产生的，因为螺线管内的B=nI，其中n是单位长度线圈的圈数，I是通过线圈0所以es=e02enlL0enlL0I2(11)灵敏度为位移与磁场电流之比，则磁偏转灵敏度与加速电压的平方根成反比。(2)利用电子束在地磁场中的偏转测量地球磁场(即地磁水平分量的测量)。在做“电子束的加速和电偏转”实验中，在偏转电压V为零的情况下将光点调整到坐标原点在改变加速d-4-电压V时，虽然没有外加偏转电压，但光点的位置已经偏离了原点。研究发现，光点的偏移位置与实验仪2摆放的位置有关，是否是地磁场的存在导致了这种现象呢?借助罗盘与指南针，找到示波管与地磁场水平分量相平行的方位，再次改变加速电压，发现光点保持在原点位置不变，看来地磁场是造成光点位置改变的重要原因之一。下面介绍用电子束实验仪来测地磁场的水平分量。12远远小于洛仑兹力，忽略重力因素，电子在磁场力影响下作圆弧运动，如图7所示，圆弧的半径只可由向心力求出电子在磁场中沿弧线打到荧光屏上一点，这一点相对于没有偏转的电子束的位置移动了距离Dsin9=9,cos9=12(12)(13)代入式(12)得eB2eB2eB2eB2sin9==Rmv所以D=2(14)(15)(16)2D2meVB=2由于示波管中的电极都是镍制成的，是铁磁体，对电子束有磁屏蔽作用，电子束在离开加速极前没有明显的偏转，所以l是由加速极到屏的全长。调节加速电压V和聚焦电压，在屏上得到一清晰光点，将X、Y偏转电压调为零，将光点调到水平轴2上，保持V不变，原地转动实验仪，当地磁场的水平分量与电子束垂直时，光点的偏转量最大，记录光点2D+D偏转最高和最低的两个偏移量D，D(可以借助罗盘和指南针来确定方位),取D=12作为加速电122压为V时的偏转量，代入公式(17)求得B(地磁场的水平分量)。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。观察磁聚焦现象，验证电子螺旋运动的极(1)研究电子束在纵向磁场作用的螺旋运动，测量电子荷质比。本实验采用的是磁聚焦法(亦称螺旋聚焦法)测量电子荷质比。具有速度v的电子进入磁场中要受到磁力的作用，此力为f=evBR为，与B垂直的分速度为,则受磁场作用力的大小取决于。此时力的数值为f=evB，力的方向既R」mevB=v2」R」周期veB」veBw=」=Rm另外，电子与B平行的分速度则不受磁场的影响。在一周期内粒子应沿磁场B的方向(或其反向)子每回转一周时前进的距离)为：d=vT=2几mv，螺距d与垂直速度无关。dB可计算出e/m的值。(1)平行速度的确定的静电型电子射线示波管，则可由电子枪得到水平方向的电子束射线，电子射线的2A2K22e(UU)2eV求得：v=A2K=2mm(2)螺距d的确定电场力作用而作匀速直线运动，直射于荧光屏中心一点。此时即使加上沿示波管轴线方向的磁场(将示波-5-管放于载流螺线管中即可)，由于磁场和电子速度平行，射线亦不受磁力，故仍射于屏中心一点。-6管放于载流螺线管中即可)，由于磁场和电子速度平行，射线亦不受磁力，故仍射于屏中心一点。转电压时，由于、两板有了电位差，则必产生垂直于电子射线方向的电场，此电场将使电子射线得到附加得分速度(原有电子枪射出的电子的不变)。此分速度将使电子作傍切于中心轴线的螺旋线运动。周期T)是相同的。如果在偏转板、上加交变电压，则在正半周期内(正负)先后通过此两极间的电子，将分别得到大小相同的向上的分速度，如图6(b)右半部所示，分别在轴线右侧作傍切于轴的光屏上出现的仍是一条直线，理由如图6(a)所示。假设正半周为正，为负。在t时刻，v=0，=0，电子不受洛仑兹力作用。t时刻，=，91的洛仑兹力为，在轴线右侧作半径为的螺旋运动，R=」2。所以整个正半周期不同时刻发出的eB电子将在轴线右侧作不同半径的螺旋运动，而在负半周电子将在轴线左侧作不同半径的螺旋运动。但由于www关，只要保持B不变，不同时刻从“0”点发出的电子作螺旋运动的角速Rm设从Y偏转板(记为0点)到荧光屏的距离为，由于不变，所以不同时刻从“0”发出的电子到时刻从“0”点发出的电子，从射出到打在荧光屏上，从螺旋运动的分运动来说，绕过的圆心角均相同，即图6(b)中的a=a=wT，所以在图6(b)中，亮点“1”与亮点20“2”都在过轴线的直线上，只是亮点“1”比亮点“2”早到()这么一段时间。由于余辉时间，以亮线缩短，同时由于w增加，在从“0”点发出的电子到达荧光屏这段时间内，绕过的圆周角增大，所螺距d。在数值上等于示波管内偏转电极到荧光屏的距离L′，这就螺距d的测量方法。如果继续增大磁场，可以获得第二次聚焦，第三次聚焦等，这是螺距d=L′/2,L′/3,……..。-7-2||||2||||()2+(-x)222DL()2+(+x)222DL示波管电压+-励磁电流电流输出电流调节XY偏转电压交流直流电源偏转电子束(荷质比)实验仪南京浪博科教仪器研究所VA1调节VA2调节VG调节偏转调零调零XXYY221pL-L-x2L]L|||0L不是足够大，且实验中仅使用中间一段，则可以引入一修正系数K。0NL0利用电子束试验仪进行实验测量的具体步骤如下：分量测量；3.电子的螺旋运动及电子荷质比的测定。LB-EB3型电子束实验仪控制面板如图所示。利用电压指示选择档，可以实时通过示波管电压显示窗口观察记录相应的电压值并可通过三个电压调节旋钮随时调节相应的电压值。交直流开关用于直流和交流的切换，X,Y换向开关用示X、Y偏转电压。(一)电子束+横向电场，测量电偏转系统的偏转灵敏掌握示波管的内部构造，电子束在不同电场作用下加速和偏转的工作原理。-8-VGA1A2AA2随偏转电压大小之间的变化关系，根据实验中的测量值分别绘制出偏转量Dx，DY和偏转电压VX，VY之间的关系曲线，直线的斜率表示电偏转灵敏度的大小。从横向电压图上可以得出电子束的偏转量随横向电场大小成线形变化关系，直线的斜率随加速电压的大小而变说明偏转灵敏度与电子的速度有关，从横向偏转关系曲线图的基础上进一步整理出加速电压V2与直线斜率tg9(或偏转量D)的乘积随横向偏转电压的lL变化关系图。结果表明所有实验电子都归拢到一根直线附近。从而证实了关系式DV=V。式中：D22dd电(二)地磁水平分量测量。2.开启电源，置直流档。借助指南针使示波管与南北方向平行放置，调节X、Y偏转(或调零)，使光点打在刻度盘中心，旋转仪器，当光点偏离中心位置最大处(即示波管与东西方向平行放置)；3.转动仪器，当仪器转动90度时(即示波管与东西方向平行)读出偏移值D，270度时读出偏移值D，12计算出D=。(本实验中使用的刻度盘每格为2mm长，测偏移量时最好应使用精度更好的直尺)；D=D=2其中，V为面板上电压指示选择V档上的读数(即加速电压)，l为加速极至荧光屏的距离(本实验中2A2(三)电子束+纵向磁场，利用磁聚焦法测量电子荷质比。为了能观察到电子在外磁场中的