济南大学电子束(荷质比)实验讲义.doc

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1、电子束荷质比实验测量物理学方面的一些常数（例如光在真空中的速度c,阿伏加德罗常数N，电子电荷e,电子的静止质量m）是物理学实验的重要任务之一，而且测量的精确度往往会影响物理学的进一步发展和一些重要的新发现。本实验将通过较为简单的方法，对电子e/m进行测量。一、实验目的1、了解示波管的结构；2、了解电子束发生电偏转、电聚焦、磁偏转、磁聚焦的原理；3、掌握一种测量荷质比的方法。二、原理（一）、电子束实验仪的结构原理电子束实验仪的工作原理与示波管相同，它包括抽成真空的玻璃外壳、电子枪、偏转系统与荧光屏四个部分。图11、电子枪电子枪的详细结构如图1所示。电子源是阴极，它是一只金属圆柱筒，里面装有一根加

2、热用的钨丝，两者之间用陶瓷套管绝缘。当灯丝通电（6.3伏交流）被加热到一定温度时，将会在阴极材料表面空间逸出自由电子（热电子）。与阴极同轴布置有四个圆筒的电极，它们是各自带有小圆孔的隔板。电极G称为栅极，它的工作电位相对于阴极大约是5-20V的负电位，它产生一个电场是要把从阴极发射出的电子推回到阴极去，只有那些能量足以克服这一阻止电场作用的电子才能穿过控制栅极。因此，改变这个电位，便可以限制通过G小孔的电子的数量，也就是控制电子束的强度。电极G′在管内与A2相连，工作电位V2相对于K一般是正几百伏到正几千伏。这个电位产生的电场是使电子沿电极的轴向加速。电极A1相对于K具有电位V1，这个电位介于

3、K和G′的电位之间。G′与A1之间的电场和A1与A2之间的电场为聚焦电场（静电透镜），可使从G发射出来的不同方向的电子会聚成一细小的平行电子束。这个电子束的直径主要取决于A1的小孔直径。适当选取V1和V2，可获得良好的聚焦。2、偏转系统电偏转系统是由一对竖直偏转板和一对水平偏转板组成，每对偏转板是由两块平行板组成，每对偏转板之间都可以加电势差，使电子束向侧面偏转。磁偏转系统是由两个螺线管形成的。3、荧光屏荧光屏是内表面涂有荧光粉的玻璃屏，受到电子束的轰击会发出可见光，显示出一个小光点。-8-（二）、实验原理eY+-++++----lL0SZ-+图2d1、电偏转：电子束+横向电场电偏转原理如图2

4、所示。通常在示波管（又称电子束线管）的偏转板上加上偏转电压Vd，当加速后的电子以速度沿Z方向进入偏转板后，受到偏转电场E（Y轴方向）的作用，使电子的运动轨道发生偏移。假定偏转电场在偏转板l范围内是均匀的，电子作抛物线运动，在偏转板外，电场为零，电子不受力，作匀速直线运动。在偏转板之内（1）式中为电子初速度，Y为电子束在Y方向的偏转。电子在加速电压V2的作用下，加速电压对电子所做的功全部转为电子动能，则。将E＝Vd／d和v02代入（1）式，得电子离开偏转系统时，电子运动的轨道与Z轴所成的偏转角的正切为（2）设偏转板的中心至荧光屏的距离为L，电子在荧光屏上的偏离为S，则代入（2）式，得（3）由上式

5、可知，荧光屏上电子束的偏转距离D与偏转电压Vd成正比，与加速电压V2成反比，由于上式中的其它量是与示波管结构有关的常数故可写成（4）ke为电偏常数。可见，当加速电压V2一定时，偏转距离与偏转电压呈线性关系。为了反映电偏转的灵敏程度，定义（5）称为电偏转灵敏度，单位为毫米/伏。越大，表示电偏转系统的灵敏度越高。2、磁偏转：电子束+横向磁场（1）研究横向磁场对电子束的偏转，测量磁偏转灵敏度并得出它和加速电压平方根成反比的规律。运动的电子在磁场中要受到洛仑兹力的作用，所受力为（6）-8-可见洛仑兹力的方向始终与电子运动的方向垂直，所以洛仑兹力对运动的电子不作功，但它要改变电子的运动方向。本实验将要观

6、察和研究电子束在与之垂直的磁场作用下的偏转情况。为简单起见，设磁场是均匀的，磁感应强度为B，在均匀磁场中电子的速度v与磁场B垂直，电子在洛仑兹力的作用下作圆周运动。洛仑兹力就是电子作圆周运动的向心力。电子离开磁场区域后，因为磁场为零，电子不再受任何力的作用，应作直线运动。由图六可知（7）（8）图3图4设电子进入磁场前加速电压为，则加速电场对电子作的功全部转变成电子的动能有（9）（10）如果磁场是由螺线管产生的，因为螺线管内的B=nI，其中n是单位长度线圈的圈数，I是通过线圈的电流，所以（磁偏转灵敏度）=（11）可见位移与磁场电流成正比，而与加速电压的平方根成反比，这与静电场的情况不同。而磁偏转

7、灵敏度为位移与磁场电流之比，则磁偏转灵敏度与加速电压的平方根成反比。（2）利用电子束在地磁场中的偏转测量地球磁场（即地磁水平分量的测量）。在做“电子束的加速和电偏转”实验中，在偏转电压为零的情况下将光点调整到坐标原点在改变加速电压时，虽然没有外加偏转电压，但光点的位置已经偏离了原点。研究发现，光点的偏移位置与实验仪摆放的位置有关，是否是地磁场的存在导致了这种现象呢?借助罗盘与指南针，找到示波管与地