山西大学 仿真实验 电 子 荷 质 比 的 测 定.doc

电 子 荷 质 比 的 测 定班级： 生物工程 姓名： 日期： 2012-06-01 地点：理科楼 【实验目的】：1研究磁场几乎平行于电子束情况下电子的运动。2.用磁聚焦法测定电子核质比。【实验仪器】SJ-SS-II型电子束实验仪（或SJ-SS-I型电子束实验仪）。仪器参数：螺线管长度L=296mm，螺线管直径D=91.5mm,线圈匝数N=4141，示波管阳极到荧光屏的距离d=193.0mm。【实验原理】1.电子速度垂直于磁场设电子在均匀磁场中以匀速运动，且速度方向垂直于时，现在劳伦兹力作用下，作圆周运动，这时可以变成如式（1）而有圆周半径：（1）及（2）如果条件不变，电子将周而复始地圆周运动。可得出电子的圆周运动周期为（3）由式（3）可知，周期只与磁场有关而与速度无关。这个结论说明：当若干个电子在均匀磁场中各以不同速度同时从某处出发时，只要这些速度（大小不等）都是垂直于磁场B，那么在经历了不同圆周运动后，仍会同时在原出发地相聚。只是速度大的电子圆周运动半径R大，速度小的电子圆周运动半径小，如图1.2图1.2v垂直于B的电子运动轨迹2.电子速度与磁场成任一角度当电子速度与磁场成角度时，可将其分解为平行于磁场B的分量和垂直分量，这时电子的实际运动是两种运动的合成：电子以作垂直于磁场B的圆周运动的同时，以作沿磁场方向的匀速直线运动。从图1.3可以看出，这时电子是在一条螺线上运动（旋进运动）。可以计算这条螺线的螺距：（4）将式（3）代入，有（5）由此可见，只要电子速度分量大小相等，则其运动的螺距就相同。这个重要结论说明，如果在一个均匀磁场中有一个电子源源不断地向外提供电子，那么不论这些电子具有怎样的初速度方向，它们都沿着磁场方向作不同的螺旋运动，而只要保持它们磁场方向的速度分量相等，它们就具有由式（5）决定的相同螺距。这就是说，在磁场方向上与电子源相距处，电子要聚集在一起，这就是电子在均匀磁场中旋进聚焦现象。至于V和B平行时，则磁场对电子的运动和聚焦均不产生影响。（）3.利用示波管的电子束磁聚焦测定电子的荷质比e/m当把示波器的轴线方向沿均匀磁场的方向放置，在阴极k和阳极a1之间加一电压，使阴极发射的电子加速。设阴极热电子脱离阴极k后沿磁场方向的初速度为零。经阴极k与阳极a1之间的电场加速后，速度为.这是电子动能增加为.由能量守恒定律可知，电子动能增加应等于电场力对它所做的功。则有 即： （6）只要加速电压确定，电子沿磁场方向的速度分量是确定的。而且电子经过第一阳极A1后，由于第二阳极和两对偏转板（X轴和Y轴偏转板）与A1同电位，因此电子在第二阳极A2至荧光屏之间将不再受电场力的作用，电子的将不再改变。把代入，则（7）由式（7）可知，是B和的函数。调节和B的大小，可以使电子束在磁场方向上任意位置聚焦。当正好等于示波管的阳极和荧光屏之间的距离d时，会使或，相应地在荧光屏上看到第二、第三次聚焦。当不等于这些值时，只能看到较大的不等的光斑而不会聚焦。将（7）转换成式（8）：（8）将及B之值代入上式，可得电子的荷质比。对于该实验所用仪器，设螺线管中磁场的平均值为B，与电流I的关系为B=KI（9）K为每台仪器的常数，由仪器出厂时给定，对于电子束试验仪来说，B可取螺线管中部的磁场值，如式（10）式中。N=线圈匝数，L=螺线管线圈长度。n=N/L为单位长度的匝数。，为螺线管的半径为此，式（10）可以改写为式（11）：（11）代入式（8），得：（12）其中d是示波器的阳极到荧光屏之间的距离。对于不同的仪器，这些参数不同.【实验内容】1、实验电路（1）阅读仪器的使用说明。（2）按正向聚焦接线图插入导联线。（3）将仪器面板“功能选择”开关旋至“磁聚”处，此时仪器处于磁聚焦工作状态。2、测量（1）接通总电源，预热数分钟，荧光屏上出现亮斑。亮斑辉度不够可调节辉度旋钮或增大V2。（2）接通励磁开关前，先将“励磁电流”旋钮（或调压器旋钮）逆时针方向旋至最小。（3）取V2为800V，调节励磁电流，使光斑聚焦，记下三次聚焦时的励磁电流读数。（4）取V2为1000V、1200V重复步骤（3）。（5）关闭总电源约数分钟，改为反向聚焦接线，重复步骤（3）、（4）。3、记录数据和处理结果。【数据处理】在磁聚状态下，mA-V表的单位是20mA/格表1电流（v）（mA）（mA）（mA）mA800 (正)180366560184.31000 (正)200418620206.31200 (正)230460680228.3800 （反）180366560184.31000 （反）200418620206.31200 （反）230460680228.3螺线管长度L=296mm，螺线管直径D=91.5mm,线圈匝数N=4141，示波管阳极到荧光屏的距离d=193.0mm。将上表数据和参数代入式（12），得表2表2（v）800 (正)1000 (正)1200 (正)800 （反）1000 （反）1200 （反）e/m()1.771.771.731.771.771.73平均值：相对误差：1.0%从以上实验数据来看,实验的重复性还是比较好的,和电子荷质比公认值比较接近,相对误差约为1%左右,一般相对误差控制在5%以内,即可满足实验的要求.误差分析:电流表读数有