電子束的電偏轉(zhuǎn)與電子荷質(zhì)比的測定

1、1居偵z/MHARBIN ENGINEERING UNIVERSITY物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)題目 電子束的電偏轉(zhuǎn)與電子荷質(zhì)比的測定姓 名：張志林物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)題目：電子束的電偏轉(zhuǎn)與電子荷質(zhì)比的測定二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私馐静ü艿幕窘Y(jié)構(gòu)和電聚焦的原理；測量示波管的電偏轉(zhuǎn)靈敏度；了解電子束縱向磁聚焦的基本原理；觀察磁聚焦現(xiàn)象，學(xué)習(xí)用磁聚焦法測定電子比荷e/m。三、實(shí)驗(yàn)儀器：電子束實(shí)驗(yàn)儀、直流安培表、直流穩(wěn)壓電源、三用表三塊。四、實(shí)驗(yàn)原理（原理圖、公式推導(dǎo)和文字說明）：示波管的基本結(jié)構(gòu)和靜電聚焦原理示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)板和熒光屏三部分組成，如圖12-1所示。 其中電子槍是示波管的核心部件。示

2、波管的基本結(jié)構(gòu)圖H，H鎢絲加熱電極；FA聚焦電極；K一陰極；A 第二加速 陽極；G一控制柵極；X X 一水平偏轉(zhuǎn)板；A 第一加速陽極;Y Y 垂直偏轉(zhuǎn)板1 21電子槍由陰極K、柵極G、第一加速陽極A、聚焦陽極FA和 第二加速陽極A等同軸金屬圓筒（筒內(nèi)膜片的中心的限制小孔）組 成。當(dāng)加熱電流從H，H通過鎢絲，陰極K被加熱后，筒端的鋇鍶 氧化物涂層內(nèi)的自由電子獲得較高的動(dòng)能，從表面逸出。因?yàn)榈谝?加速陽極A具有（相對于陰極K）很高的電壓（例如1100V），在 K-G-A之間形成強(qiáng)電場，故從陰極逸出的電子在電場中被加速， 形成一束電子射線，最后打擊在屏的熒光物質(zhì)上，發(fā)出可見光，在 屏背可以看見一個(gè)亮

3、點(diǎn)。 TOC o 1-5 h z 射線中的電子從電子槍“槍口 ”（最后一個(gè)加速電極A的小孔） 射出的速度v，由下面的能量關(guān)系決定21 一 2 mv2 eV式中，U為A對陰極K的電位差，電子的最后射出速度v是相同 的，與電子在電子槍內(nèi)的電位起伏無關(guān)。控制柵極G相對于陰極K負(fù)電位（見圖中電路），兩者相距很 近，當(dāng)柵極G負(fù)的電位不很大時(shí)就足以把電子斥回，使電子束截止。 用電位器R調(diào)節(jié)G對K的電壓，可以控制電子槍射出電子的數(shù)目， 從而連續(xù)改變屏上光點(diǎn)的亮度。陰極發(fā)射的電子在電場的作用下，會(huì)聚于控制柵極小孔附近一 點(diǎn)。在這里，電子束具有最小的截面，往后，電子束又散射開來。 為了把散射開來的電子束會(huì)聚起來

4、，采用如圖12-2所示的靜電場裝 置（靜電透鏡）。其作用原理如下：圖12-2電場聚焦原理電子槍內(nèi)的聚焦電極FA與第二加速電極A組成一個(gè)靜電透 鏡，其間的靜電場分布如圖12-2所示。虛線為等位線，實(shí)線為電力 線，電場對Z軸是對稱分布的。電子束中某個(gè)散離軸線的電子沿軌道S進(jìn)入聚焦電場。在電場的前半?yún)^(qū)（左邊），這個(gè)電子受到與電力 線相切方向的作用力f。f可分解為垂直指向軸線的分力fr與平行于 軸線的分力fz （圖中A區(qū)）。fr的作用使電子運(yùn)動(dòng)向軸線靠攏，起聚 焦作用；f的作用使電子沿Z軸線方向得到加速度。電子到達(dá)電場 的后半?yún)^(qū)（右邊）時(shí)，受到的作用力化起散焦作用。考慮到電子在 后半?yún)^(qū)的軸向速度比在前

5、區(qū)的大得多，獲得的離軸速度比在前區(qū)獲 得的向軸速度小，總的效果是電子向軸線靠攏，整個(gè)電場起聚焦作 用。聚焦作用的強(qiáng)弱是由圖中“聚焦”電位器R2,即改變FA與A 之間的電位差，從而改變其間的電場強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的。2電子束的電偏轉(zhuǎn)在示波管的兩塊Y （或X）偏轉(zhuǎn)板加上電壓時(shí)，受電場力的作 用，通過兩板之間的電子束的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖12-3所示。y = V2dV y2 -該式表明，偏轉(zhuǎn)板的電壓U越大，屏上光點(diǎn)的位移也越大，兩 者是線性關(guān)系。比例常數(shù)在數(shù)值上等于偏轉(zhuǎn)電壓為1V時(shí)，屏上光 點(diǎn)位移的大小，稱為示波管的電偏轉(zhuǎn)靈敏度S，其倒數(shù)稱為偏轉(zhuǎn)因 數(shù)，即ybL TOC o 1-5 h z V2dVy2.顯然

6、，對X偏轉(zhuǎn)板也有相應(yīng)的電偏轉(zhuǎn)靈敏度Sx和偏轉(zhuǎn)因數(shù)，即工b LS x V2dV由于X,X2與Y1Y2兩對金屬偏轉(zhuǎn)板一前一后地安裝，其他條件 相同時(shí)，遠(yuǎn)離熒光屏（L較大）的一對偏轉(zhuǎn)板的靈敏度較大。增加 偏轉(zhuǎn)板的長度b與縮小兩板距離d固然可以增大示波管的靈敏度， 但偏轉(zhuǎn)大的電子易被板端阻擋，或電子束經(jīng)過板邊緣的非均勻電場， 以致y-U的線性關(guān)系遭到破壞。所以通常將兩偏轉(zhuǎn)板的出口向外 折開成喇叭狀。屏上光點(diǎn)位移與偏轉(zhuǎn)電壓的線性關(guān)系，使示波管成為測量電壓 的重要工具之一。電子束的縱向磁聚焦和電子比荷的測定電子比荷即電子的電量和質(zhì)量之比e，它是描述電子性質(zhì)的重 m要物理量。1897年J.J.湯姆遜在英國劍

7、橋卡文迪許實(shí)驗(yàn)室首先測出 了電子比荷（當(dāng)時(shí)稱電子荷質(zhì)比）。本實(shí)驗(yàn)就是利用電子束在磁場中 的縱向磁聚焦現(xiàn)象來測量電子比荷，這是一種測量荷質(zhì)比的簡便方 法。將示波管置于一個(gè)用導(dǎo)線繞制的載流直長螺線管的均勻磁場 里，并使示波管內(nèi)電子束的方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向平行。此時(shí)， 作用于電子的洛倫茲力為零。電子以v速度沿Z向作勻速直線運(yùn)動(dòng)， 最后打在屏的0點(diǎn)上（圖12-4）。 Z*2 XiRir2R3O O1 200 V圖12-4電子束的縱向磁聚焦示意圖現(xiàn)在，在水平偏轉(zhuǎn)板X1,X2間加上直流電壓U，電子穿過兩極 板間的電場后，獲得一個(gè)橫向速度v，方向垂直芋B，于是電子在 洛倫茲力的作用下，逆Z軸的方向看去，

8、電子作逆時(shí)針方向的圓周 運(yùn)動(dòng)。圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為c mv R = zeB圓周運(yùn)動(dòng)的周期為mT = 2 兀 eB但是，電子作圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還有Z軸方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)（v ）。 兩個(gè)運(yùn)動(dòng)合成的結(jié)果，電子軌道是螺線形的，軌道螺距h為Zh = v t = 2兀之z eB對于從第一聚焦點(diǎn)出發(fā)的不同電子，雖然徑向速度v不同，所走的 圓半徑也不同，但只要軸向速度相等，它們將沿不同的螺旋線軌 道運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過距離h后，又重新會(huì)聚在一點(diǎn)。如果這點(diǎn)正好位于熒 光屏上，則屏上將呈現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)。這就是電子射線的磁聚焦原理。設(shè)定某個(gè)U2 （通過調(diào)節(jié)加速電壓可改變v的大小），選擇合適 的磁感應(yīng)強(qiáng)度B （調(diào)節(jié)螺線管勵(lì)磁電流I

9、大小）：恰好使螺距h等于 從第一聚焦點(diǎn)到熒光屏的距離L，熒光屏上的亮斑將變成亮點(diǎn)，這 時(shí)eBe 8兀 2V一 =eBe 8兀 2V一 =2m L B 2NI經(jīng)整理后得到 螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B = h 1y l 2 + （D + D ）2五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理（整理表格、計(jì)算過程、結(jié)論1、測量示波管的電偏轉(zhuǎn)靈敏度S 數(shù)據(jù)記錄表y/cm-2.0-1.00.01.02.0V2=9 VV /V-19.3-9.609.418.9V2=1100VVy/V-22.8-11.7011.822.8S =蘭=0.106 m / VyS = V = 0.103m / V2、觀察磁聚焦現(xiàn)象3、測定電子荷質(zhì)比數(shù)據(jù)記錄表L二.

10、196m l二.218m N=1160 D烈.9m。2=0.95口序1V/V磁場電流I/A正向I/A反向I/A19000.5310.559210000.5890.595311000.6110.622公認(rèn)值 = (1.7588047 土 0.0000049) x 1014 c / kg me8兀 2V一 =2m L B 22V le8兀 2V一 =2m L B 22412X 1014 c / kgL2 N 2( 11 + 12)2e()1 = 1.7643619 x 1011 c / kg() = 1.7547771 x 1011 c / kg m 2() = 1.7569230 x 1011 c / kg m 3e一=1.7587106 x 1011c / kgm11.7587106 -1.758804711