磁聚焦法測(cè)電子荷質(zhì)比

1、電子荷質(zhì)比的測(cè)量胡洋洋電子荷質(zhì)比的測(cè)量實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介帶電粒子的電荷量與質(zhì)量的比值，稱為荷質(zhì)比。荷質(zhì)比是帶電粒子的基本參量之一，是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。目前測(cè)得的電子荷質(zhì)比的數(shù)值為1758即962。0。53。04。帶電粒子在磁場(chǎng)中受電場(chǎng)力的作用，在磁場(chǎng)中受磁場(chǎng)力的作用，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將發(fā)生變化。這種現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為科學(xué)實(shí)驗(yàn)及工程技術(shù)帶來(lái)了極大的應(yīng)用價(jià)值。受電場(chǎng)力或磁場(chǎng)力的作 用，帶電粒子可以聚焦，形成細(xì)束流，這是示波管和顯像管的工作基礎(chǔ)。利用帶電粒子在磁場(chǎng)和 電場(chǎng)中的受力聚焦而形成的電透鏡或磁透鏡，是構(gòu)成電子顯微鏡的基層本組件。帶電粒子受力加速或改變運(yùn)動(dòng)方向，這又是直線加速器或回旋加速器的工作原理。此

2、類電磁元件和儀器設(shè)備極大 地豐富了科學(xué)研究和工程技術(shù)的方法和手段，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)原理磁聚焦法測(cè)定電子荷質(zhì)比1 .帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)：a.設(shè)電子e在均勻磁場(chǎng)中以勻速 V運(yùn)動(dòng)。當(dāng)”5時(shí)，則在洛侖茲力f作用下作圓周運(yùn)動(dòng), 運(yùn)動(dòng)半徑為R,由=煙衣（1）得R二吧油如果條件不變，電子將周而復(fù)始地作圓周運(yùn)動(dòng)。可得出電子在這時(shí)的運(yùn)動(dòng)周期T:_2 離R 23I =廿由此可見(jiàn)：T只與磁場(chǎng)B相關(guān)而與速度 V無(wú)關(guān)。這個(gè)結(jié)論說(shuō)明：當(dāng)若干電子在均勻磁場(chǎng)中各以不同速度同時(shí)從某處出發(fā)時(shí)，只要這些速度都是與磁場(chǎng)B垂直，那么在經(jīng)歷了不同圓周運(yùn)動(dòng)，會(huì)同時(shí)在原出發(fā)地相聚。不同的只是圓周的大小不同，速度大的電子運(yùn)動(dòng)

3、半徑大，速度小的電子 運(yùn)動(dòng)半徑?。▓D1）。圖1 v垂直于B圖2 v與B成日角b.若電子的速度 V與磁場(chǎng)B成任一角度g :我們可以把V分解為平行于磁場(chǎng) B的分量埒和垂直于B的分量匕*;這時(shí)電子的真實(shí)運(yùn)動(dòng)是 這兩種運(yùn)動(dòng)的合成：電子以 兀作垂直于磁場(chǎng)B的圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，以 可作沿磁場(chǎng)方向的勻速直 線運(yùn)動(dòng)。從圖2可看出這時(shí)電子在一條螺旋線上運(yùn)動(dòng)?？梢杂?jì)算這條螺旋線的螺距1 :由式3得2陽(yáng)哂i = V.-T =g B(4)由此可見(jiàn)，只要電子速度分量 匕大小相等則其運(yùn)動(dòng)的螺距 ,就相同。這個(gè)重要結(jié)論說(shuō)明如果在一個(gè)均勻磁場(chǎng)中有一個(gè)電子源不斷地向外提供電子，那么不論這些電子具有怎樣的初始速度方向，他們都沿磁場(chǎng)

4、方向作不同的螺旋線運(yùn)動(dòng)，而只要保持它們沿磁場(chǎng)方向的速度分量相等，它們就具有相同的由式4決定的螺距。這就是說(shuō)，在沿磁場(chǎng)方向上和電子源相距,處，電子要聚集在一起，這就是電子的旋進(jìn)磁聚焦現(xiàn)象。至于廠B時(shí)，則磁場(chǎng)對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)和聚焦均不產(chǎn)生影響。2 .利用示波管測(cè)定電子的荷質(zhì)比把示波管的軸線方向沿均勻磁場(chǎng) B的方向放置，在陰極 K和陽(yáng)極4之間加以電壓，使陰極 發(fā)出的電子加速。設(shè)熱電子脫離陰極 K后沿磁場(chǎng)方向的速度為零。經(jīng)陰極 K與陽(yáng)極鳥(niǎo)之間的電場(chǎng)加速后，速度為。這時(shí)電子動(dòng)能增量為 2。由能量守恒定律可知，電子動(dòng)能的增加應(yīng)等于電場(chǎng)力對(duì)它做的功。如果第一陽(yáng)極 &與陰極k間的電位差為 心(&和4接在一起)，則

5、此功應(yīng)為： 名, 有只要電壓匕確定，電子沿磁場(chǎng)的速度分量 /是確定的。而且電子經(jīng)過(guò)第一陽(yáng)極 A后，由于 第二陽(yáng)極和兩對(duì)偏轉(zhuǎn)都與 4同電位，因此電子將不再受電場(chǎng)力的作用，電子沿磁場(chǎng)方向的速度 分量片將不再改變。把5式代入4式有可以看到?是B和瞑的函數(shù)。調(diào)節(jié)后和B的大小，可以使電子束在磁場(chǎng)的方向上任意位置聚 焦。當(dāng)】正好等于示波管陽(yáng)極和熒光屏之間的距離d時(shí)，可以在熒光屏上看到一個(gè)很小的亮點(diǎn)。i = d若B值增大到2倍或3倍時(shí)，會(huì)使 2 或 3 ,相應(yīng)地在熒光屏上將看到第二次、第三次 聚焦。當(dāng)不等于這些值時(shí)，只能看到較大的不等的光斑而不會(huì)聚焦。由式6有慮_以6布 &j 將和B之值代入上式可得電子的荷

6、質(zhì)比 如。對(duì)于SJ-SS-I型電子束實(shí)驗(yàn)儀來(lái)說(shuō)，B是螺 線管中磁場(chǎng)的平均值，與電流 I的關(guān)系可表示為：B = K1（8）K為每臺(tái)儀器常數(shù)，由一起給定。對(duì)于 SJ-SS-II型電子束實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，B可取螺線管中部的磁 場(chǎng)值。當(dāng)位于螺線管中心時(shí)，令 五二口，可得B -=而F令 二 22 ,貝1j十刃（10）代入7式得出_ 十增匕短一荻百否W（ii）式中D是螺線管的直徑，L是螺線管白長(zhǎng)度，N是螺線管的匝數(shù)，d是示波管的陽(yáng)極到熒光屏 之間的距離。實(shí)驗(yàn)?zāi)康? .研究磁場(chǎng)幾乎平行于電子束情況下電子的運(yùn)動(dòng)。2 .用磁聚焦法測(cè)定電子荷質(zhì)比。實(shí)驗(yàn)儀器電子荷質(zhì)比的測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀器電子束實(shí)驗(yàn)儀電子束實(shí)驗(yàn)儀顯示屏電流表、電壓

7、表實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用電子實(shí)驗(yàn)儀測(cè)荷質(zhì)比(1)按圖9所示方法連接導(dǎo)線，則機(jī)內(nèi)示波管電路如圖 10所示。此時(shí)第一陽(yáng)極 衛(wèi)1、第二 陽(yáng)極 耳、水平偏轉(zhuǎn)板和垂直偏轉(zhuǎn)板均連接在一起， 它們的電位均為 匕。勵(lì)磁電源提供磁聚焦線 圈所需的勵(lì)磁電流，產(chǎn)生與示波管軸線平行的磁場(chǎng)，使電子作螺旋線運(yùn)動(dòng)。圖9正向聚焦面板接線圖(2)將儀器面板上“功能選擇”開(kāi)關(guān)旋至“磁聚”處，此時(shí)儀器工作在磁聚焦?fàn)顟B(tài)。(3)接通總電源，預(yù)熱幾分鐘后，熒光屏上出現(xiàn)亮斑，亮斑輝度不夠時(shí)，可調(diào)節(jié)輝度旋鈕 或加大歷。(4)在接通勵(lì)磁電源開(kāi)關(guān)前，先將“勵(lì)磁電流”旋鈕旋至最小(逆時(shí)針?lè)较?。(5)取 匕為800V,調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使光斑聚焦，記下三次聚焦時(shí)

8、勵(lì)磁電流的讀數(shù)。(6)取匕為1000V, 1200V,重復(fù)步驟(6)。(7)關(guān)閉總電源幾分鐘，改接線方式為圖11所示，此時(shí)儀器工作于反向聚焦?fàn)顟B(tài)，重復(fù)步驟(6)、( 7)。(8)按表1記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并處理結(jié)果，將所得結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。圖10正向聚焦時(shí)機(jī)內(nèi)電路連接圖圖11反向聚焦接線圖數(shù)據(jù)記錄d= 0.193m,N=4141,D=0.0915m,L=0.296mV2 (V )I1(mA)I2(mA)I3(mA)800正18.036.254.01000正20.041.661.81200正22.845.268.0800反17.836.253.81000反20.041.462.01200反22.6

9、45.268.0數(shù)據(jù)處理(標(biāo)準(zhǔn) e/m=1.7 6X 1011)d= 0.193m,N=4141,D=0.0915m,L=0.296mV2/V勵(lì)磁電流/mA“ I1 I2 I3、 I(=.) 1 2 3/mA色二卬匕楙-產(chǎn)/(C/kg)誤差(%)I1I2I3800正18.036.254.018.01.86X11105.71000正20.041.661.820.61.77X11100.61200正22.845.268.022.71.75X11100.6800反17.836.253.818.01.86X11105.71000反20.041.462.020.61.77X11100.61200反22.645.268.022.61.77X11100.6小結(jié)：實(shí)驗(yàn)測(cè)得電子荷質(zhì)比：e/m = 1.80X i011C/kgE=118x 100%=2.3%1.76仿真實(shí)驗(yàn)比實(shí)體實(shí)驗(yàn)的誤差小，更接近于理 論值。思考題：1.調(diào)節(jié)螺線管的勵(lì)磁電流，改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B觀察三次以上磁聚焦現(xiàn)象，并解釋此現(xiàn)象- 2慮 2仍/ = _ 由于 V 套B ,當(dāng)B增加時(shí)，周期T減小，所以當(dāng)調(diào)節(jié)電流I使彳導(dǎo)B 增加3倍時(shí)，周期T變?yōu)樵瓉?lái)的三分之一。又 = *，所以一個(gè)周期只能運(yùn) 行在原來(lái)三分之一的距離，因此便有了三次聚焦。2 .如何利用上述各電流值計(jì)算電子荷質(zhì)比。22由于L