Transcript 荷质比（e/m） - 深圳大学物理实验教学示范中心

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历史回眸
荷质比（e/m）：带电体的电荷量和质量的比值，叫做荷质
比， 又称“比荷”，电子的基本常数之一。
1897年J.J.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2000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
子。精确测量电子荷质比的值为1.75881962×1011库仑/千克，
约等于1.76×1011C/kg，根据测定电子的电荷，可确定电子的
质量。
J·J·汤姆逊于1906年获诺贝尔奖。
J·J·汤姆逊 (Jospeh John Thomson，1856～1940)
J.J.
汤
姆
逊
像
英国物理学家，曾任剑桥
大学卡文迪什实验室主任，培
养的学生有卢瑟福、玻尔、威
尔逊等多人，他们都先后荣获
了诺贝尔奖。
G.P.汤姆逊 （George Paget
Thomson，1892-1975），J.J.
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
象，1937年获得物理学奖。
一 实验目的
利用纵向磁场聚焦法测定电子荷质比e/m，了解和
掌握利用磁控条件测量电子荷质比的原理及方法。
二 实验原理/2.1电子束在磁场中的偏
转
运动的电子在磁场中要受到洛仑兹力的作用，所受力为：
f  qv  B
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
是均匀的，磁感应强度为B，电子的速度v与磁场B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：
mv
电子回旋半径为： R 
2
mv
eB
qvB 
2 R
R
T

电子回旋周期为：
eB
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：
 l leB
tan  
2 R mv
s  L tan

2
L
leB
mv
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：
2eVA2
1 2
mv  eVA2  v 
2
m
B  0 nI
s  0 nIlL
e
2mVA2
位移s与励磁电流I成正比，而与加速电压的平方根成反比
二 实验原理/2.2荷质比的测量
当电子速度v与磁场B有一定夹角进入磁场后，将作螺旋运动
回旋半径为：
回旋周期：
R
T 
螺距为： h  v
T
mv
eB
2 m
eB
加速电压VA2较大，有几千伏，所以 v 相对来说很小，
v v
2eVA 2
m
hv T 
2eVA 2 2 m
m

eB
所以在B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
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，
这就是磁聚焦
8 VA2 m


eB
B 2e
2eVA 2 2 m
h
m
h是B和VA2的函数，调节B和VA2，可以使电子束在磁场方向
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
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
点(电子束已聚焦)，当B值增加到2~6倍时，会使h=1/2d、
h=1/3d、h=1/4d、h=1/5d或h=1/6d，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
次聚焦。当h不等于这些值时, 只能看到圆圈的光斑，电子束
2
不会聚焦。可以得出：
e
m

8 VA 2
2
h B
2
L
8 VA 2 其中： B  0 n0 I
 2 2
L2  D2
m
h B
e
2
N  nL
μ0：真空磁导率，n0：励磁线圈匝密度，N：励磁线圈总匝数，I
为励磁电流， D为励磁线圈平均直径，L为励磁线圈长度
e 8 VA（
2 L D）

2 2 2 2
m
0 h N I
2
2
2
测量公式
（1）0  4 107 N  A2
（2）励磁线圈长度（不包括前后挡板厚度）L=215mm。
（3）h=d=180mm。
（4）励磁线圈骨架外直径：D =96mm。
(5)总匝数 标在线圈上
三、实验仪器
示波管各电极结构
灯丝F：加热阴极，加6.3V电压。
阴极K：被加热后能向外发射自由电子，也称发射极。
栅极G：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-70～-10V之间。
第二阳极A2：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1000V以上。
第一阳极A1：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，
通常加数百伏正向电压。
水平偏转极板：X1和X2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。
垂直偏转极板：Y1和Y2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。
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
值为180mm
四、实验调节方法
四、实验调节方法
在实验内容与步骤1-（9）中，记录电子束前三次聚焦时
对应的励磁电流值I1、I2、I3。
（4）改变加速电压VA2，使加速电压VA2为1000V、1100V、
1200V，重复实验内容与步骤（2）、（3）。
五
使用注意事项
1．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
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。
2 、在作磁聚焦及电子荷质比e/m的测定实验时，时间不宜太
长，控制在3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，及时
将励磁电流调到0，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。
3．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
1、实验过程中有时会出现找不到光点（光斑）的情况，分析
可能的原因和解决的办法。
2、如何发现和消除地磁场对测量电子荷质比的影响？
3、用什么方法能使电子束聚焦？电子束聚焦有什么应用？
动画、脚本设计：赵改清
课
件
制
作：赵改清
2014.9
深圳大学大学物理教学实验中心