电子荷质比的测定.doc

实验 磁聚焦法测定电子荷质比 19世纪80年代英国物理学家J.J汤姆逊在剑桥卡文迪许实验室做了一个著名的实验：将阴极射线受强磁场的作用发生偏转，显示射线运行轨迹的曲率半径；并采用静电偏转力与磁场偏转力平衡的方法求得粒子的速度，结果发现了“电子”，并测定出电子的电荷量与质量之比为: 1.7×1011 C/Kg对人类科学做出了重大的贡献。1911年密立根又测定了电子的电量，这样就可以间接地计算出电子的质量，这进一步对电子的存在提供了实验证据，从而宣告原子是可以分割的。所以电子荷质比的测定实验，在近代物理学的发展史中占有极其重要的地位。当然测量电子荷质比的方法有磁聚焦法、磁控管法、汤姆逊法等，经现代科学技术的测定电子荷质比的标准值是：。本实验采用磁聚焦法。 【实验目的】 1.学习测定电子荷质比的一种方法。 2.了解电子束发生电偏转、磁偏转、电聚焦、磁聚焦的原理。 3.了解示波管的构造和各电极的作用。 【实验原理】 1.示波管的简单介绍 本实验所用的8SJ31J型示波管的构造如图1所示。灯丝通电以后发热，用于加热阴极。阴极是个表面涂有氧化物的金属圆筒，经灯丝加热后温度上升，一部分电子脱离金属表面，成为自由电子发射，自由电子在外电场作用下形成电子流。栅极为顶端开有小孔的圆筒，套装于阴极之外，其点位比阴极为低。这样，阴极发射出来的具有一定初速度的电子，通过栅极和阴极间形成的电场时电子减速。初速度大的电子可以穿过栅极顶端小孔射向荧光屏，初速度小的电子则被电场排斥返回阴极。如果栅极所加电压足够低，可使全部电子返回阴极，而不能穿过栅极的小孔。这样，调节栅极电位就能控制射向荧光屏的电子流密度。打在荧光屏上的电子流密度大，电子轰击荧光屏的总能量大，荧光屏上激发的荧光就亮一些，反之，荧光屏就不发光。所以调节栅极和阴极之间的电位差，可以控制荧光屏上光点的亮度，这就是亮度调节或称为辉度调节。 图1 8SJ31J型示波管结构示意图 为了加速电子束，使获得较大的能量，以很大的速度打在荧光屏上，使荧光物质发光。因此，在栅极之后装有加速电极，相对于阴极的电压一般为1KV至2KV。加速电极是一个长形金属圆筒，筒内装有具有同轴中心孔的金属膜片，用于阻挡离开轴线的电子，使电子束具有较细的截面。加速电极之后是第一阳极A1和第二阳极A2。第二阳极通常和加速电极相连，而第一阳极对阴极的电压一般为几百伏特。这三个电极所形成的电场，除对阴极发射的电子进行加速外，并使之会聚成很细的电子束，这种作用称为聚焦作用。改变第一阳极的电压，可以改变电场分布，以使电子束在荧光屏上聚焦成细小的光点，这就是聚焦调节。当然，改变第二阳极的电压，也会改变电场分布，从而改变电子束在荧光屏上聚焦的好坏，故称辅助聚焦调节。 为使电子束能够达到荧光屏上的任何一点，必须使电子束在两个互相垂直的方向上都能偏转，这种偏转可以用静电场或者磁场来实现。一般示波管采用静电场的办法使电子束偏转，称静电偏转。静电偏转所需要的电场，由两对互相垂直的偏转板提供。其中一对能使电子束在X方向偏转，称X向偏转板Dx。另一对能使电子束在Y方向偏转，称Y向偏转板Dy。关于这两对偏转板的作用原理，详见实验“电子束的电偏转和磁偏转研究”。 2. 电子射线的电聚焦原理 在示波管中，阴极发出的电子处于加速电极的加速电场中，这个电场从加速电极经过栅极的小圆孔而达到阴极表面，如图2所示。这个电场的分布具有这样的性质，使由阴极表面不同点发出的电子，在向阳极方向运动时，在栅极小圆孔前方会聚，形成一个电子束的交叉点F1。由加速电极、第一阳极和第二阳极所组成的电聚焦系统，就是把上述的交叉点F1成像在示波管的荧光屏上，呈现为直径足够小的光点F2，如图3所示。这与凸透镜对光的会聚作用相似，所以通常称为电子透镜。 图3 电子透镜示意图 为了说明静电透镜的聚焦原理，在二块电位差为10V的带电平行板中间放进一块带有圆孔的金属膜片M，如图4所示。 图4 电聚焦、电偏转原理图 若在图4(a)中的膜片M上加4V的电压，这时膜片左右的电场都是平行的均匀电场，M上的电位处在“自然”电位状态。左极板出发的电子，通过膜片至右极板的整个过程都是匀加速运动，不存在透镜作用。 在图4(b)中，由于膜片M的电位为零，低于“自然”电位，这时在膜片M的左方远离开孔处没有电场存在，而在右方电场强度（或等位面密度）却增加了。由于右极板上正电位的影响，膜片M的圆孔中心的电位要比膜片高些，其等位面伸向左面的低压空间，形成如图4(b)图所示的等位曲面，这些曲面与中心轴成轴对称。 由于电场E的方向与等位面保持垂直，自高电位指向低电位，这时在小孔附近场强的方向偏离孔的中心轴，而电子受力的方向与场强E的方向相反。因此，自左极板出