電子束聚焦與電子荷質(zhì)比的測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、選做實(shí)驗(yàn)2電子束聚焦與電子荷質(zhì)比的測量電子電量e和電子靜質(zhì)量m的比值e／m稱為電子的荷質(zhì)比，又稱電子比荷。1897年J.J.湯姆孫利用電磁偏轉(zhuǎn)的方法測量了陰極射線粒子的荷質(zhì)比，它比電解中的單價(jià)氫離子的荷質(zhì)比約大2000倍，從而發(fā)現(xiàn)了比氫原子更小的組成原子的物質(zhì)單元，定名為電子。精確測量電子荷質(zhì)比的值為1.758819621011庫侖／千克，根據(jù)測定電子的電荷，可確定電子的質(zhì)量。20世紀(jì)初W.考夫曼用電磁偏轉(zhuǎn)法測量β射線（快速運(yùn)動(dòng)的電子束

2、）的荷質(zhì)比，發(fā)現(xiàn)e／m隨速度增大而減小。這是電荷不變質(zhì)量隨速度增加而增大的表現(xiàn)，與狹義相對論質(zhì)速關(guān)系一致，是狹義相對論實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之一。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹恳?、加深電子在電場和磁場中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解；二、了解電子束磁聚焦的基本原理；三、學(xué)習(xí)用磁聚焦法測定電子荷質(zhì)比e／m的值?！緦?shí)驗(yàn)原理】一、示波管示波管是電子束試驗(yàn)儀和示波器的主要部分，其結(jié)構(gòu)見圖1，它由三部分組成：（1）電子槍：它發(fā)射電子，把電子加速到一定速度，并聚焦成電子束。（2）由兩對金屬板組成

3、的電子束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。（3）在電子管末端的熒光屏，用來顯示電子的轟擊點(diǎn)。所有這些部件都封在一個(gè)抽成真空的玻璃圓管內(nèi)。一般管內(nèi)的真空度為104Pa，這樣可以使電子通過管子的過程中幾乎不與氣體分子碰撞。陰極K是一個(gè)表面涂有氧化物的金屬圓筒，是電子源，經(jīng)燈絲加熱后溫度上升，一部分電子作逸出功后脫離金屬表面成為自由電子。自由電子在外電場作用下形成電子流。柵極G為頂端開有小孔的圓筒，套在陰極之外，其電位比陰極低（5V至20V），使陰極發(fā)射出來具有一定

4、初速的電子，通過柵極和陰極間的電場時(shí)減速。初速大的電子可以穿過柵極頂端小孔射向熒光屏，初速小的電子則被電場排斥返回陰極。如果柵極所加電位足夠低，可使全部電子返回陰極。這樣，調(diào)節(jié)柵極電位就能控制射向熒光屏的電子射線密度，即控制熒光屏上光點(diǎn)的亮度，這就是亮度調(diào)節(jié)，記符號為“”。為了使電子以較大的速度打在熒光屏上，使熒光物質(zhì)發(fā)光亮些，在柵極之后裝有加速電極。加速電極是一個(gè)長形金屬圓筒，筒內(nèi)裝有具有同軸中心孔的金屬膜片，用于阻擋離開軸線的電子，

5、使電子射線具有較細(xì)的截面。加速電極之后是第一陽極A1和第二陽極A2。第二陽極通常和加速電極相連，而第一陽極相對陰極的電壓一般為幾百伏特。這三個(gè)電極所形成的電場，除對陰極發(fā)射的電子進(jìn)行加速外，并使之會(huì)聚成很細(xì)的電子射線，這種作用稱為聚焦作用。改變第一陽極的電壓，可以改變電場分布，使電子射線在熒光屏上聚焦成細(xì)小的光點(diǎn)，這就是聚焦調(diào)節(jié)，記符號為“⊙”。當(dāng)然，改變第二陽極的電壓，也會(huì)改變電場分布，從而進(jìn)一步改變電子射線在熒光屏上聚焦的好壞，這是

6、輔助聚焦調(diào)節(jié)，記符號為“○”。為了使電子射線能夠達(dá)到熒光屏上的任何一點(diǎn)，必須使電子射線在兩個(gè)互相垂直的方圖1三、磁聚焦原理（偏轉(zhuǎn)電場為零）1、若將示波管的加速電極、第一陽極A1、第二陽極A2、偏轉(zhuǎn)電極Dx和Dy全部連在一起，并相對于陰極K加同一加速電壓Ua，這樣電子一進(jìn)入加速電極就在零電場中作勻速運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。這時(shí)來自電子射線第一聚焦點(diǎn)F1（在柵極G的小圓孔前方）的發(fā)散電子射線將不再會(huì)聚，而在熒光屏上形成一個(gè)光斑。為了能使電子射線聚

7、焦，可在示波管外套一個(gè)通用螺線管，使在電子射線前進(jìn)的方向產(chǎn)生一個(gè)均勻磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。在示波管中，柵極和加速電極靠得很近。因此，可以認(rèn)為電子離開第一聚焦點(diǎn)F1后立即進(jìn)入電場為零的均勻磁場中運(yùn)動(dòng)。2、在均勻磁場B中以速度v運(yùn)動(dòng)的電子，受到洛侖茲力F的作用BevF???當(dāng)v和B平行時(shí)，F(xiàn)等于零，電子的運(yùn)動(dòng)不受磁場的影響，仍以原來的速度v作勻速直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)v和B垂直時(shí)，力F垂直于速度v和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，電子在垂直于B的平面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，

8、如圖6所示（圖中的F和v只表示作大圈運(yùn)動(dòng)電子的洛侖茲力和速度的方向）。維持電子作圓周運(yùn)動(dòng)的力就是洛侖茲力，即RvmevBF2??電子運(yùn)動(dòng)軌道的半徑為：(1)eBmvR?電子繞圓一周所需的時(shí)間（周期）T為(2)eBmvRT??22??從（2）式可見，周期T和電子速度無關(guān)，即在均勻磁場中不同速度的電子繞圓一周v所需的時(shí)間是相同的。但速度大的電子所繞圓周的半徑也大。因此，已經(jīng)聚焦的電子射線繞一周后又將會(huì)聚到一點(diǎn)。3、在一般情況下，電子束呈圓錐