磁聚焦法测电子荷质比.docx
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磁聚焦法测电子荷质比
电子荷质比的测量
胡洋洋
能动07班10031172
电子荷质比的测量———实验简介
带电粒子的电荷量与质量的比值，称为荷质比。
荷质比是带电粒子的基本参量之一，是研究物质结构的基础。
目前测得的电子荷质比的数值为
。
带电粒子在磁场中受电场力的作用，在磁场中受磁场力的作用，带电粒子的运动状态将发生变化。
这种现象的发现，为科学实验及工程技术带来了极大的应用价值。
受电场力或磁场力的作用，带电粒子可以聚焦，形成细束流，这是示波管和显像管的工作基础。
利用带电粒子在磁场和电场中的受力聚焦而形成的电透镜或磁透镜，是构成电子显微镜的基层本组件。
带电粒子受力加速或改变运动方向，这又是直线加速器或回旋加速器的工作原理。
此类电磁元件和仪器设备极大地丰富了科学研究和工程技术的方法和手段，推动了科学技术的发展。
实验原理
磁聚焦法测定电子荷质比
1． 带电粒子在均匀磁场中的运动：
a．设电子e在均匀磁场中以匀速V运动。
当
时，则在洛仑兹力f作用下作圆周运动，运动半径为R，由
（1）
得
（2）
如果条件不变，电子将周而复始地作圆周运动。
可得出电子在这时的运动周期T：
（3）
由此可见：
T只与磁场B相关而与速度V无关。
这个结论说明：
当若干电子在均匀磁场中各以不同速度同时从某处出发时，只要这些速度都是与磁场B垂直，那么在经历了不同圆周运动，会同时在原出发地相聚。
不同的只是圆周的大小不同，速度大的电子运动半径大，速度小的电子运动半径小（图1）。
图1v垂直于B图2v与B成
角
b．若电子的速度V与磁场B成任一角度
：
我们可以把V分解为平行于磁场B的分量
和垂直于B的分量
；这时电子的真实运动是这两种运动的合成：
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2可看出这时电子在一条螺旋线上运动。
可以计算这条螺旋线的螺距
：
由式3得
（4）
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不断地向外提供电子，那么不论这些电子具有怎样的初始速度方向，他们都沿磁场方向作不同的螺旋线运动，而只要保持它们沿磁场方向的速度分量相等，它们就具有相同的由式
4决定的螺距。
这就是说，在沿磁场方向上和电子源相距
处，电子要聚集在一起，这就是电子的旋进磁聚焦现象。
至于
时，则磁场对电子的运动和聚焦均不产生影响。
2． 利用示波管测定电子的荷质比
把示波管的轴线方向沿均匀磁场B的方向放置，在阴极K和阳极
之间加以电压，使阴极发出的电子加速。
设热电子脱离阴极K后沿磁场方向的速度为零。
经阴极K与阳极
之间的电场加速后，速度为
。
这时电子动能增量为
。
由能量守恒定律可知，电子动能的增加应等于电场力对它做的功。
如果第一阳极
与阴极K间的电位差为
（
和
接在一起），则此功应为：
，有
（5）
只要电压
确定，电子沿磁场的速度分量
是确定的。
而且电子经过第一阳极
后，由于第二阳极和两对偏转都与
同电位，因此电子将不再受电场力的作用，电子沿磁场方向的速度分量
将不再改变。
把5式代入4式有
（6）
可以看到
是B和
的函数。
调节
和B的大小，可以使电子束在磁场的方向上任意位置聚焦。
当
正好等于示波管阳极和荧光屏之间的距离d时，可以在荧光屏上看到一个很小的亮点。
若B值增大到2倍或3倍时，会使
或
，相应地在荧光屏上将看到第二次、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。
由式6有
（7）
将
和B之值代入上式可得电子的荷质比
。
对于SJ-SS-I型电子束实验仪来说，B是螺线管中磁场的平均值，与电流I的关系可表示为：
（8）
K为每台仪器常数，由一起给定。
对于SJ-SS-II型电子束实验来说，B可取螺线管中部的磁场值。
当位于螺线管中心时，令
，可得
（9）
令
，则
（10）
代入7式得出
（11）
式中D是螺线管的直径，L是螺线管的长度，N是螺线管的匝数，d是示波管的阳极到荧光屏之间的距离。
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荷质比。
实验仪器
电子荷质比的测量———实验仪器
电子束实验仪
电子束实验仪显示屏
电流表、电压表
实验内容
用电子实验仪测荷质比
（1）按图9所示方法连接导线，则机内示波管电路如图10所示。
此时第一阳极
、第二阳极
、水平偏转板和垂直偏转板均连接在一起，它们的电位均为
。
励磁电源提供磁聚焦线圈所需的励磁电流，产生与示波管轴线平行的磁场，使电子作螺旋线运动。
图9正向聚焦面板接线图
（2）将仪器面板上“功能选择”开关旋至“磁聚”处，此时仪器工作在磁聚焦状态。
（3）接通总电源，预热几分钟后，荧光屏上出现亮斑，亮斑辉度不够时，可调节辉度旋钮或加大
。
（4）在接通励磁电源开关前，先将“励磁电流”旋钮旋至最小（逆时针方向）。
（5）取
为800V，调节励磁电流，使光斑聚焦，记下三次聚焦时励磁电流的读数。
（6）取
为1000V，1200V，重复步骤（6）。
（7）关闭总电源几分钟，改接线方式为图11所示，此时仪器工作于反向聚焦状态，重复步骤（6）、（7）。
（8）按表1记录实验数据，并处理结果，将所得结果与标准值进行比较。
图10正向聚焦时机内电路连接图
图11反向聚焦接线图
数据记录
d=0.193m,N=4141,D=0.0915m,L=0.296m
V2（V
）
I1（mA）
I2（mA）
I3（mA）
800[正]
18.0
36.2
54.0
1000[正]
20.0
41.6
61.8
1200[正]
22.8
45.2
68.0
800[反]
17.8
36.2
53.8
1000[反]
20.0
41.4
62.0
1200[反]
22.6
45.2
68.0
数据处理（标准e/m=1.76×
）
d=0.193m,N=4141,D=0.0915m,L=0.296m
/V
励磁电流/mA
I（=
）
/mA
/（C/kg）
误差（%）
I1
I2
I3
800[正]
18.0
36.2
54.0
18.0
1.86×
5.7
1000[正]
20.0
41.6
61.8
20.6
1.77×
0.6
1200[正]
22.8
45.2
68.0
22.7
1.75×
0.6
800[反]
17.8
36.2
53.8
18.0
1.86×
5.7
1000[反]
20.0
41.4
62.0
20.6
1.77×
0.6
1200[反]
22.6
45.2
68.0
22.6
1.77×
0.6
小结：
实验测得电子荷质比:
=1.80×
C/kg
E=
×100%=2.3%
仿真实验比实体实验的误差小，更接近于理论值。
思考题：
1．调节螺线管的励磁电流，改变磁感应强度B观察三次以上磁聚焦现象，并解释此现象。
由于
，当B增加时，周期T减小，所以当调节电流I使得B增加3倍时，周期T变为原来的三分之一。
又
，所以一个周期只能运行在原来三分之一的距离，因此便有了三次聚焦。
2．如何利用上述各电流值计算电子荷质比。
由于L，D，N，d均为已知，所以可以把K＝
当成常数，那么
＝K
，可以作
图，那么可得斜率P，便得
这样便求得电子荷质比。
3.如何消除地磁场对实验结果的影响。
为了消除地磁场对实验结果的影响，可以在实验前调整螺线管的角度，使其间的磁场方向和地磁场在当地的方向相同。
..
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