测定电子荷质比的几种实验方法.doc

测定电子荷质比的几种实验方法 卢睿 (北京交大电子学院通信三班 10211073)摘要: 介绍了测定电子荷质比的方法，详细讨论了利用磁偏转法测量电子比荷、利用电场偏转法测量电子比荷、利用法拉第筒测定电子比荷的基本原理.更加深入地了解了测量电子荷质比的实验原理.关键词: 电子荷质比 测定 带电粒子 近代物理学 微观粒子一、 引言电子的发现，不仅使人类对电现象有了更本质的认识，还打破了原子是不可再分的最小单位的观点带电粒子的电荷量与质量的比值叫荷质比，简称比荷，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电子的荷质比是由英国的物理学家汤姆生在1897年于英国剑桥大学卡文迪什实验室在对“阴级射线”粒子的荷质比的测定中首先测出的，在当时这一发现对电子的存在提供了最好的实验证据而就现在看，测定荷质比的方法很多，我们分别进行讨论二、 实验方法原理介绍（1）利用磁偏转法测量电子比荷 汤姆孙用来测定电子比荷的实验装置如图1所示，真空管内的阴极K发出的电子(不计初速、重力和电子间的相互作用)经加速电压加速后，穿过A 中心的小孔沿中心轴OO的方向进入到两块水平正对放置的平行极板P和P 间的区域当极板间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心O点处，形成了一个亮点加上偏转电压U后，亮点偏离到O点(O点与O点的竖直间距为d，水平间距可忽略不计)此时，在P和P间的区域，再加上一个方向垂直与纸面向里的匀强磁场，调节磁场的强弱，当磁感应强度的大小为B时，亮点重新回到O点已知极板水平方向的长度为L ，极板间距为b，极板右端到荧光屏的距离为L2(如图1所示)当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动，亮点重新回到中心0点，设电子的速度为 v,则evB=Ee，得v=E/B，即v=/Bb当极板间仅有偏转电场时，电子以速度进入后，在竖直方向上做匀加速运动，加速度为a=eU/mb，电子在水平方向做匀速直线运动，在电场内的运动时间t1=L1/v，这样电子在竖直方向上偏转的距离为d=at2/2=eL2U/2mv2b离开电场时竖直向上的分速度为 Vy=at1= eL U/mvb，电子离开电场后做匀速直线运动，经t2到达荧光屏，有t2=L2/v ，t2时间内向上运动的距离为d2=Vyt2=eUL 1L2/m b，这样电子总偏转距离为d=eUL1(L1+2L2)/2mv2b，可解得e/m 2=2Ud/B2bL1(L1+2L2)电子在PP 间做匀速直线运动时有：eE=Bev；E=u/b，当电子在PP 间磁场中偏转时有：Bev=mv2/r，同时又有：Ll= rsin，可得e/m=Usin/B2bL1(2)利用电场偏转法测量电子比荷如图3所示，真空玻璃管内，阴极K发出的电子经过阳极A与阴极K之间的高压加速后，形成一细束电子流，以平行于平板电容器极板的速度进人两极板C、D间的区域若两极板C、D间无电压，电子将打在荧光屏上的0点；若在两极板间施加电压U，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的P点；若再在极板间施加一个方向垂直于纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场，则电子在荧光屏上产生的光点又回到O点已知极板的长度为l=5.00cm，C、D间的距离d=1.5cm，极板区的中点M到荧光屏中点O的距离L=1250cm，U=200V，B=0.00063T,P点到0点的距离y=3.0cm由图4，加有电场和磁场时，二力平衡(速度选择器)：Ee=evB，v=E/B=U/Bd，只有电场时:tan=y/L=Vy/V=(eUl/mdv)/v得e/m=yU/B2dlL=1.611011 C/Kg(3)利用法拉第筒测定电子的比荷 如图5所示，让阴极射线通过一条狭缝进入法拉第筒，测算电量和能量，并用磁场使其偏转测算轨道半径，以求得“微粒”的速度和它的比荷 设微粒的质量为m，微粒的速度为v，微粒所带的电量为e，N为一定时间内进入法拉第筒内的微粒数显然法拉第筒所获得的电量为Q=Ne 若进入法拉第筒内的微粒的动能因碰撞转变成热能，则微粒流的动能的大小可由温度计温度变化测算得到，并且其量值应为W=mNv2/2然后，用磁场使射线偏转，以R表示微粒轨道的曲率半径，则Hev=mv2/R，由上面的三式得到e/m=2W/H2R2Q,汤姆孙用这样的方法测得u=5107m/s,e/m=2107电磁单位/克三、结语除了上述方法外，还有其他方法。比如用自制电子管测定电子比荷，还有专门测量荷质比的专利项目。方法不同，其结果的精确程度也不同，上述方法都很简单，比不上塞曼效应等复杂方法的结果精确，但本报告介绍的都是十分基础且重要的实验方法，对于我