金属钨的电子逸出功的测定 【实验目的】 1．了解有关热电子发射的基本规律；2．学会用理查孙(Richardson)直线法测定钨的逸出功。 3．了解光测高温计的原理和学习高温计的使用；4．进一步学习数据处理方法。 【实验仪器】 WF-2逸出功测定仪、电压表、电流表等 【实验原理】 在高真空（1.33×10－ 4P a 以下）的电子管中，一个由被测金属丝做成的阴极K ，通过电流F I 加热，并在另一 个阳极加正电压时，在连接这两个电极的外电路中将有电流A I 通过，如图2-1所示，这种现象称为热电子发射。 通过对热电子发射规律的研究，可以测定阴极材料逸出功，以选择合适的材料。 方法是：在相同加热温度下测量不同阴极材料二极管的饱和电流，然后相互比较，加以选择。 1．电子的逸出功 根据固体物理学中金属电子理论，金属传导电子的能量分布遵从费米—狄拉克（Fermi--Dirac)分布。即 F 31 1 223d 4()==(2m)(e +1) d E E KT N f E E E h π-- （2-1） 式中F E 为费米能级，h 为普朗克常数，m 为电子质量。 在图2-2中左侧画的是不同温度下能量分布函数与能量的关系，右侧画的是金属的表面势垒（横坐标X 是距离金属表面的距离）。在绝对零度时，电子按能量的分布函数如图2-2曲线（1）所示，是抛物线的形式，但是这个抛物线在F E 处被陡然切断，也就是所有电子的能量都不超过 F E ，当然不可能有任何电子发射。曲线（2）表示较低温度 时的情况，此时高于F E 的电子数量很少，因此在较低温度下是观察不到电子发射的。之所以形成这种形状的曲线，是由于随着温度的升高，只是能量在F E 附近的电子才能改变它的状态（因为温度较低时，热能不足以使能量较低的电子激发到F E 以上的空态），所以电子按能量的分布在截断处由陡变缓，并向高能量处伸出一个尾巴，当温度进一步上升时，这种效应将变得更加显著，曲线（3）即为此种情况。曲线（3）表示温度已经高到一定程度，此时已经有相当的数量的电子的能量高于b E （如图中的阴影部分所示），这时就有相当大 的热发射电流（实际上，逸出金属的电子只是图中阴影部分所表示的电子的一部分）。 在通常温度下，由于金属表面存在一个厚约10 10 -m 左右的电子层——正电荷形成的偶电层，它的电场阻碍 电子从金属表面逸出，也就是说金属表面与外界（真空）之间存在一个势垒b E ，因此，电子要从金属中逸出，至少必须具有b E 的动能。从图2-2可见，在绝对零度时，电子逸出金属至少要从外界得到的能量为 ： 0== b F E E E e ?-。 图2-1 图2-2 d E
实验报告 【实验名称】：电子荷质比测定 【实验目的】： 1、了解利用电子在磁场中偏转的方法来测定电子荷质比。 2、通过实验加深对洛伦兹力的认识。 【实验仪器】: FB710型电子荷质比测定仪 【实验原理】： 当一个电荷以速度v垂直进入磁场时，电子要受到洛伦兹力的作用，它的大小可由公式 f=ev*B (1) 所决定，由于力的方向是垂直于速度的方向，则电子的运动的轨迹是一个圆，力的方向指向圆心，完全符合圆周运动的规律，所以作用力与速度的关系为 f=mv^2/r (2) 其中r时电子运动圆周的半径，由于洛伦兹力就是使电子做圆周运动的向心力，因此 evB=mv^2/r (3) 由公式转换可得 e/m=v/rB (4) 实验装置是用一电子枪，在加速电压U的驱使下，射出电子流，因此eU全部转变成电子的输出动能，因此又有 eU=mv^2/2 (5) 由公式（4）、（5）可得 e/m=2U/(r*B)^2 (6) 实验中可采取固定加速电压U，通过改变偏转点了，产生不同的磁场，进而测量出电子束的圆轨迹半径，就能测定电荷的荷质比。 亥姆赫兹线圈产生磁场的原理， B=K*I （7）其中K为磁电变换系数，可表达为 K=μ0（4/5）∧（3/2）*N/R （8）其中μ0是真空导磁率，等于4T*m/A或H/m,R为亥姆赫兹线圈的平均半径，N为单个线圈的匝数，其他参数 R=158mm,N=130匝，因此公式（6）可以改写为 e/m=[125/32]R∧2U/μ0∧2N∧2I∧2r∧2=2.474×10∧12 R∧2U/N∧2I∧2r∧2(C/kg) (9) 【实验内容】： 1、正确完成仪器的连接。 2、开启电源，使加速电压文档于120V。 3、调节偏转电流，使电子束的运行轨迹形成封闭的圆，细心调节聚焦电压，使电子束明亮，缓缓改变亥姆兹线圈中的电流，观察电子束大小、偏转的变化。 4、测量步骤：
实验具体内容与要求 1、理解电子束实验仪面板上各个旋钮的作用，并能够正确使用。 2、主要实验内容包括四部分：电聚焦、电偏转、磁聚焦和磁偏转。要求正确使用电子束实验 仪和数显直流稳压源、完整记录测量数据（包括有效数字和单位）。 3、通过用直角坐标纸作图及求直线的斜率，求得电偏转和磁偏转的灵敏度。 4、正确计算电子的荷质比。 预习基本要求 1、了解示波管的结构和工作原理。 2、明白电聚焦、电偏转和磁聚焦、磁偏转的主要原理、需要测量和记录的物理量。 3、理解电偏转和磁偏转灵敏度的含义和测量、计算方法。 4、理解通过磁聚焦测量电子荷质比的原理。通过查表计算出电子荷质比的理论值。 常见问题与解答 1、实验过程中有时会出现找不到光点（光斑）的情况，可能的原因和解决的办法如下： （1）亮度不够。解决的办法是适当增加亮度。 （2）已经加有较大的电偏电压（x方向或和y方向），使光点偏出示波器的屏幕。此时应通过 调节电偏转旋钮，使偏转电压降为零。
2、在进行负向电偏转实验时，外接电压表指针会反向偏转，造成无法读数。 这时要将电压表的两个接线端对调，同时电压的测量结果要加负号。 预习思考题 1、示波管主要是由哪几部分组成的？各部分的功能是什么？ 2、用什么方法能使电子束偏转？ 3、用什么方法能使电子束聚焦？ 4、电偏转灵敏度与哪些因素有关？ 5、磁偏转灵敏度与哪些因素有关？ 6、如何发现和消除地磁场对测量电子荷质比的影响？ 实验注意事项 1、接通电子束实验仪电源后，严禁用手触摸面板上的金属接线头，以防高压电击。 2、正确选择外接电压表的量程，测U1和U2时用1500V量程，测电偏转电压时用100V量程。 3、开启和关闭外接直流稳压电源前，必须将输出电压调为零，以免自感电动势损坏稳压电源。
电子荷质比的测量 一、实验目的 1.观察电子束在电场作用下的偏转。 2.加深理解电子在磁场中的运动规律，拓展其应用。 3.学习用磁偏转法测量电子的荷质比。 二、实验仪器 电子荷质比测定仪及电源 三、实验原理 众所周知当一个电子以速度v 垂直进入均匀磁场时，电子要受到洛仑兹力的作用，它的大小可由公式： e f ?= （2.10-1） 所决定，由于力的方向是垂直于速度的方向，则电子的运动轨迹就是一个圆，力的方向指向圆心，完全符合圆周运动的规律，所以作用力与速度又有： r mv f 2 = （2.10-2） 其中r 是电子运动圆周的半径，由于洛仑兹力就是使电子做圆周运动的向心力，因此可将（2.10-1)、(2.10-2)式联立： r mv evB 2 = （2.10-3） 由（2.10-3)式可得： rB v m e = （2.10-4） 实验装置是用一电子枪，在加速电压u 的驱使下，射出电子流，因此eu 全部转变成电子的输出动能：
22 1mv eu = （2.10-5） 将（2.10-4）与（2.10-5)式联立可得： 2 )(2B r u m e ?= （2.10-6） 实验中可采取固定加速电压u ，通过改变不同的偏转电流，产生出不同的磁场，进而测量出电子束的圆轨迹半径r ，就能测定电子的荷质比——e/m 。 按本实验的要求，必须仔细地调整管子的电子枪，使电子流与磁场严格保持垂直，产生完全封闭的圆形电子轨迹。按照亥姆霍兹线圈产生磁场的原理: I K B ?= （2.10-7） 其中K 为磁电变换系数，可表达为： R N K ?=23 0)54(μ （2.10-8） 式中0μ是真空导磁率，它的值270104--??=A N πμ，R 为亥姆霍兹线圈的平均半径，N 为单个线圈的匝数，由厂家提供的参数可知R=158mm ，N=130匝，因此公式（2.10-6）可以改写成： )(10474.2]32125[222212222202kg C r I N u R r I N u R m e ????=?????=μ （2.10-9） 四、实验步骤 1. 接好线路。 2. 开启电源，使加速电压定于120V ，耐心等待，直到电子枪射出翠绿色的电子束后，将加速电压定于100V 。本实验的过程是采用固定加速电压，改变磁场偏转电流，测量偏转电子束的圆周半径来进行。（注意：如果加速电压太高或偏转电流太大，都容易引起电子束散焦） 3. 调节偏转电流，使电子束的运行轨迹形成封闭的圆，细心调节聚焦电压，使电子束明亮，缓缓改变亥姆霍兹线圈中的电流，观察电子束的偏转的变化。 4. 测量步骤： （1）调节仪器后线圈上反射镜的位置，以方便观察；
金属逸出功的测量与分析 2009年10月11日 物理工程与技术学院 光信息科学与技术07级1班 实验人：乐广龙 07305939 参加人： 林 铭 07305938 【实验目的】 1， 了解费米狄拉克量子统计规律； 2， 理解热电子发射规律和掌握逸出功的测量方法； 3， 用理查逊直线法分析印记材料（钨）的电子逸出功。 【实验原理】 （1） 电子需要W o =W a -W f 才能逸出。 （2） 热发射电流密度2/e K T s J AT e ?-= （3） A.由于A 以及面积S 难以测量: 2 ln( )ln()s T e A S T K T ?=- 则2 ln( )s T T 与1T 为线性关系,利用此方法实验称理查逊直线法。 B.发射电流测量加入电场E α,电流作相应修正 : ' 4.39ln ln s s I I T =+ 在选定温度下 :' ln s I 由直线斜率可得零场发射电流s I C.温度测量由f T I 关系曲线得出。 【实验内容】 1， 按电路图连接电路，注意a U 与f U 勿连接错误； 2， 取灯丝电流f I 为0.600、0.625、0.650…0.775A ，求得灯丝温度； 3， 对应每灯丝电流f I ，测量阳极电压a U 分别为25、36、49、64、81、100、121及144V 对应阳极电流' s I ，阳极电压先粗调，再微调。
4， 作'ln s I ln s I ； 5， 作2 1ln( )s T T T 图，拟合出逸出功与实验误差。 【实验结果与分析】 表1 灯丝温度 2， 对应阳极电流以及求'ln s I 有下表（原始数据见预习报告）： 表2阳极电流以及lg s I 、s I 3， 作' ln s I 1~8：
实验三：电子比荷的测定 一、实验目的 1、观察电子束在电场作用下的偏转。 2、观察运动电荷在磁场中受洛仑兹力作用后的运动规律，加深对此的理解。 3、测定电子的比荷 二、实验仪器 DH4520型电子比荷测定仪包括：洛仑兹力管、亥姆霍兹线圈、供电电源和读数标尺等部分。仪器采用一体化设计，整个安装在木制暗箱内，便于观察、测量、携带和贮存，如图一所示。 1、洛仑兹力管洛仑兹力管又称威尔尼管，是 本实验仪的核心器件。它是一个直径为153mm的大 灯泡，泡内抽真空后，充入一定压强的混合惰性气 体。泡内装有一个特殊结构的电子枪，由热阴极、 调制板、锥形加速阳极和一对偏转极板组成，如图 二所示。经阳极加速后的电子，经过锥形阳极前端 的小孔射出，形成电子束。具有一定能力的电子束 与惰性气体分子碰撞后，使惰性气体发光，从而使 电子束的运动轨迹成为可见。 2、亥姆霍兹线圈亥姆霍兹线圈是由一对绕向 一致，彼此平行且共轴的圆形线圈组成。如图三所示。当两线圈正向串联并通以电流I，且距离a等于线圈的半径r时，可以在线圈的轴线上获得不太强的均匀磁场。如两线圈间的距离a不等于r时，则轴线上的磁场就不均匀。 同学们可根据两个单个线圈轴线 上P点磁感应强度B的叠加，求出当 a=r时，亥姆霍兹线圈轴线上总的磁 感应强度B=9×104 I 3、供电电源供电电源的前面板如图四所示： 偏转电压偏转电压开关分“上正”、“断开”、“下正”三档。置“上正”时上偏转板接正电压，下偏转板接地。置“下正”时则相反。置“断开”时，上下偏转板均无电压接入。观察与测量电子束在洛仑兹力作用下的运动轨迹
时，应置“断开”位置。偏转电压的大小，由偏转电压开关下面的电位器调节。电压值从50~250V，连续可调，无显示。 阳极电压阳极电压接洛仑兹力管内的加速电极，用于加速电子的运动速度。电压值由数字电压表显示，值的大小由电压表下的电位器调节。实验时的电压范围约100~200V。 线圈电流线圈电流（励磁电流）方向开关分“顺时”、“断开”、“逆时”三档。置“顺时”时线圈中的电流方向为顺时针方向，线圈上的顺时批示灯亮，产生的磁场方向指向机内。置“逆时”时则相反。置“断开”时，线圈上的电流方向指示灯全熄灭，线圈中没有电流。电流值由数字电流表指示，值的大小，由电流表下面的电位器调节。 请注意：在转换线圈电流的方向前，应先将线圈电流值调到最小，以免转换电流方向时产生强电弧烧坏开关的接触点。 在观察电子束在电场力的作用下发生偏转时，应将此开关置“断开”位置。 在仪器后盖上设有外接电流表和外接电压表接线柱，以备在作课堂演示时外接大型电压表和电流表。 读数装置在亥姆霍兹线圈的前后线圈上，分别装有单爪数显游标尺和镜子，以便在测量电子束圆周的直径D时，使游标尺上的爪子、电子束轨迹、爪子在镜中的象三者重合，构成一线，以减小视差，提高读数的准确性。游标读数为inch和mm刻度两种，请选mm刻度。 实验原理 对于在均匀磁场B中的以速度v运动的电子，将受到洛仑兹力 f=evB 的作用。不v和B同向时，力F等于零，电子的运动不受磁场的影响。当v和B垂直时，力F垂直于速度v和磁感应强度B，电子在垂直于B的平面内作匀速圆周运动，如图五所示。维持电子作圆周运动的力就是洛仑兹力，即 mv2 EvB= r 式中R为电子运动轨道的半径。得电子比荷 由此可见实验中只要测定了电子运动的速度v，轨道的半径R和磁感应强度B，即可测定电子的比荷。 电子运动的速度v应该由加速电极，即阳极的电压U决定（电子离开阴极时的初速度相对来说很小，可以忽略）。即
编号 学士学位论文电子荷质比的测量 学生姓名：麦麦提江.吾吉麦 学号：20070105035 系部：物理系 专业：物理学 年级：07-1班 指导教师：依明江 完成日期：2012 年 5 月 4 日
1 中文摘要 电子荷质比的测量方法很多,主要用近代物理实验来测定,例如,有磁控管法、 汤姆逊法、 塞曼效应法、密立根油滴实验法及磁聚焦法等,各有特点准确度也不一样。 这文章中利用普通物理实验来进行测量，根据电荷在磁场中的运动特点， 利用电子束实验仪进行电子荷质比测定实验，分析了电子束的磁聚焦原理，通过对同一实验多组实验数据的分析处理，最后分析了产生实验误差的主要原因。 关键词：磁聚焦；电子荷质比；螺旋运动 ；亮线段； 误差；
2 中文摘要 (1) 引言 ........................................................................................................................ 3 1. 电子荷质比测量的简要历程 ............................................................................... 3 2. 电子在磁场中的运动 ........................................................................................... 4 2.1电荷在磁场中的运动特点.................................................................4 2.2电子束的磁聚焦原理 ............................................................................................. 4 2.2.1电子荷质比的测量..................................................................... 6 2.2.2决定荧光屏上亮线段的因素 ............................................................................. 6 3.实验结果 ............................................. ................................................. 8 3.1.产生实验误差的主要原因分析.................. ....................................... 10 3.1.1地磁分量对实验结果的影响 ................................... ..............................11 3.1.2光点判断不准对实验结果的影响 .................................................................... 11 3.1.3示波管真空度的影响 .............................. ..........................................11 结论 .......................................................................................................................... 12 参考文献 .................................................................................................................. 13 致谢 .. (14)
V v 增补实验：金属电子逸出功的测定 【实验目的】 1.了解热电子发射的基本规律，验证肖特基效应； 2.学习用理查森直线法处理数据，测量电子逸出电位。 【实验原理】 二十世纪前半叶，物理学在工程技术方面最引人注目的应用之一是在无线电电子方面。无线电电子学的基础是热电子发射。当时名为热离子学的学科研究的就是热电子发射。它的创始人之一，英国著名物理学家理查森（Owen W.Richardson，1879-1959），由于发现了热电子发射定律，即理查森定律，为设计合理的电子发射机构是指明了道路，其研究工作队无线电电子学的发展产生了深远的影响，因而荣获1928年诺贝尔物理学奖。 在真空玻璃管中装上两个电极，其中一个用金属丝做成（一般称为阴极），并通过电流使之加热，在另一个电极（即阳极）上加一高于金属丝的正电位，则在连接这两个电极的外电路中就有电流通过。有电子从加热的金属丝中射出，这种现象称为热电子发射。研究各种材料在不同温度下的热电子发射，对于以热阴极为基础的各种真空电子器件的研制是极为重要的，电子的逸出电位正是热电子发射的一个基本物理参数。 根据量子理论，原子内电子的能级是量子化的。在金属内部运动着的自由电子遵循类似的规律：1.金属中自由电子的能量是量子化的；2.电子具有全同性，即各电子是不可区分的； 3.能级的填充要符合泡利不相容原理。根据现代的量子论观点，金属中电子的能量分布服从费米-狄拉克分布。在绝对零度时，电子数按能量的分布曲线如图1中的曲线（1）所示，此时电子所具有的最大动能为W i，W i所处能级又称为费米能级。当温度升高时，电子能量分布曲线如图1中的曲线（2）所示，其中少数电子能量上升到比W i高，并且电子数随能量以接近指数的规律减少。 i 图1电子能级分布曲线
金属电子逸出功的测量 一、实验目的 1．了解热电子的发射规律，掌握逸出功的测量方法。 2．了解费米—狄拉克量子统计规律，并掌握数据分析处理的方法。 二、实验原理 （一）电子逸出功及热电子发射规律 热金属内部有大量自由运动电子，其能量分布遵循费米－狄拉克量子统计分布规律，当电子能量高于逸出功时，将有部分电子从金属表面逃逸形成热电子发射电流。电子逸出功是指金属内部的电子为摆脱周围正离子对它的束缚而逸出金属表面所需的能量。逸出功为0a f W W W =- ，其中为a W 位能势垒，f W 为费米能量。 由费米—狄拉克统计分布律，在温度0T ≠，速度在~v dv 之间的电子数目为： 2()/1 2()1 f W W kT m dn dv h e -=+ （1） 其中h 为普朗克常数，k 为波尔兹曼常数。选择适当坐标系，则只需考虑x 方向上的情形，利用积分运算 22 /2/21/2 2( ) y z mv kT mv kT y z kT e dv e dv m π∞ ∞ ---∞ -∞ ==?? (2) 可将（1）式简化为 22//23 4f x W kT mv kT x m kT dn e e dv h π-=? (3) 而速度为x v 的电子到达金属表面的电流可表示为 x dI eSv dn = （4） 其中S 为材料的有效发射面积。只有x v ≥将（3） 代入（4~∞范围积分，得总发射电流 kT e s e AST I /2?-= (5) 其中234/A emk h π=，(5)式称为里查逊第二公式。 （二）数据测量与处理 里查逊直线法： 将(5)式两边同除以T 2后取对数，得 ()32lg lg 5.03910s I AS T T ? =-? (6)
设计性实验十 测定电子荷质比 实验目的 1．了解热电子发射(thermal emission)的概念。 2．理解磁控法测量电子荷质比(charge to mass ration)的原理。 3．加强学生作图法处理实验数据的训练。 4．训练学生用计算机软件采集和处理实验数据。 实验过程中重点学习内容 1．热电子发射的概念。 2．磁控法测量电子荷质比的原理。 3．磁控法测量电子荷质比计算机软件原理。 实验原理 若真空二极管的阴极（用被测金属钨丝做成）通以电流加热，并在阳极外加以正电压时，在连接这两个电极的外电路中将有电流通过。如图1所示：这种电子从热金属丝发射的现象，称热电子发射。 图1 热电子发射 图2 与成线性关系 a U 2 c I 如果将理想二极管置于磁场中，二极管中径向运动的电子将受到洛仑兹力的作用而作曲线运动。当磁场强度达到一定值时，作曲线运动的径向电子流将不再能达到阳极而“断流”。我们将利用这一现象来测定电子的荷质比。此种方法称为磁控法。 在单电子中，从阴极发射出质量为m 的电子的动能应由阳极加速电场能eUa 和灯丝加热后电子“热激发”所具有能量E 两部分构成，根据能量守恒定律有：
E eU m a +=22 1 υ ---- (1) 电子在磁场的作用下做半径为R 的圆周运动，应满足 B e R m υυ=2 ------ (2) 而螺线管线圈的磁感强度B 与励磁电流(field current)I s 成正比 ------ (3) s I K B ' =由(1)， (2)， (3)式可得： 2'2 2 2 K R m e I e E U s a ××=+ ------ (4) 设：K 2'2 2 K R m e ××= ----- (5) （K 为一—常量） 并设阳极内半径为r ，阴极（灯丝）半径忽略不计，则处于临界状态下有：R=2 r ； ，阳极电压与关系可写为：c s I I =a U c I e E KI U c a ?=2 ----- (6) 显然与成线性关系。改变不同的有不同的值与之对应，如图2所示，用同一个理想二极管在不同的阳极电压下用图解法可测得不同的值。根据数据组，求得斜率K ，由K 的值即可求得电子的荷质比a U 2 c I a U c I c I 2 c a I U ?2'21 2K R K m e ×× = 其中 ； n K 0' μ= m H 70104?×=πμ真空磁导率，n=线圈匝数T 。 按表1数据绘制图2，从图中求出并将、和列表2。由Is~Ia 曲线求切线，其交点对应的Ia 即Ic 。 c I a U c I 2 c I 表1 不同下的Is 和I a U a 数据 s I (mA ） a U =2.0V a I (μA) s I (mA) a U =3.0V a I (μA) s I (mA) a U =4.0V a I (μA) a U =5.0V s I (mA)
实验名称电子比荷的测量 一、前言 19世纪80年代英国物理学家J.J汤姆孙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”，并得出了它的电荷量与质量之比 e m。 电子荷质比是电子的电荷量与其质量的比值，是研究物质结构的基础，其测定在 物理学发展史上占有重要的地位。经现代科学技术测定的电子荷质比的标准值是：11 1.75910C/kg 。测定电子荷质比的方法有很多，如磁偏转法、磁聚焦法、磁控管法、 滤速器法等。本实验仪沿用当年英国物理学家汤姆孙思路，利用电子束在磁场中运动 偏转的方法来测量电子的荷质比。 二、教学目标 1、了解电子在电场和磁场中的运动规律。 2、测量电子的荷质比。 3、掌握电子荷质比测试仪的测量原理及方法。 4、通过实验加深对洛伦兹力的认识。 三、教学重点 1、电子在磁场中的运动规律。 四、教学难点 1、电子圆运动轨道半径的测量。 五、实验原理 图1 电子在磁场中受力图当一个电子以速度v垂直进入均匀磁场时，电子就要受到洛 仑兹力的作用(图1)：
f ev B =? （1） 由于力的方向是垂直于速度的方向，则电子的运动轨迹就是一个圆，力的方向指向圆心，完全符合圆周运动的规律，所以作用力与速度又有： 2f mv r = （2） 其中r 是电子运动圆周的半径，由于洛仑兹力就是使电子做圆周运动的向心力，因此可将(1)、(2)式联立： 2evB mv r = （3） 由(3)式可得： e v m rB = （4） 实验装置是用一电子枪，在加速电压U 的驱使下，射出电子流，因此加速电场所做功eU 全部转变成电子的输出动能： 22eU mv = （5） 将(4)与(5)式联立可得： 2 2()e U m r B =? （6） 实验中可采取固定加速电压U ，通过改变不同的偏转电流，产生出不同的磁场，进而测量出电子束的圆轨迹半径r ，就能测定电子的荷质比e m 。 按本实验的要求，必须仔细地调整管子的电子枪，使电子流与磁场严格保持垂直，产生完全封闭的圆形电子轨迹。按照亥姆霍兹线圈产生磁场的原理: B K I =? （7） 其中K 为磁电变换系数，可表达为： 3204()5N K R μ=? （8） 式中0μ是真空导磁率，它的值720410N A μπ--=??，R 为亥姆霍兹线圈的平均半径，N 为单个线圈的匝数，由厂家提供的参数可知158R mm =，130N =匝，将(7)和(8)代入公式(6)可得：
实验报告 姓名：张伟楠班级：F0703028 学号：5070309108 实验成绩： 同组姓名：实验日期：2008.04.14 指导老师：批阅日期： 磁聚焦法测定电子荷质比 【实验目的】 1.学习测量电子荷质比的方法； 2.了解带电粒子在电磁场中的运动规律及磁聚焦原理。 【实验原理】 1、示波管 本实验所用的8SJ31型示波管由阴极K、栅极G、加速电极、第一阳极A1和第二阳极A2、X向偏转板D x、Y向偏转板D y组成。 2、电子射线的磁聚焦原理（偏转电场为零） I．在示波管外套一个通用螺线管，使在电子射线前进的方向产生一个均匀磁场，可以认为电子离开第一聚焦点F1后立即进入电场为零的均匀磁场中运动． II．在均匀磁场B中以速度运动的电子，受到洛仑兹力F的作用（1）
当v和B平行时，F等于零，电子的运动不受磁场的影响，仍以原来的速度v作匀速直线运动．当v和B垂直时，力F垂直于速度v和磁感应强度B，电子在垂直于B的平面内作匀速圆周运动．维持电子作圆周运动的力就是洛仑兹力，即 （2） 电子运动轨道的半径为：（3） 电子绕圆一周所需的时间（周期）T为（4） 从（3）、（4）两式可见，周期T和电子速度v无关，即在均匀磁场中不同速度的电子绕圆一周所需的时间是相同的．但速度大的电子所绕圆周的半径也大．因此，已经聚焦的电子射线绕一周后又将会聚到一点． III．在一般情况下，电子束呈圆锥形向荧光屏运动，如电子速度v和磁感应强度B之间成一夹角，此时可将v分解为与B平行的轴向速度v// （v// = v cosθ ）和与B垂直的径向速度v θ )．v// 使电子沿轴方向作匀速运动，而v┴在洛仑兹力的作用下使电子绕轴作圆┴(v┴= v sin 周运动，合成的电子轨迹为一螺旋线，其螺距为 （5） 对于从第一聚焦点F1出发的不同电子，虽然径向速度v┴不同，所走的圆半径R也不同，但只要轴向速度v//相等，并选择合适的轴向速度v//和磁感应强度B（改变v的大小，可通过调节加速电压Ua；改变B的大小可调节螺线管中的励磁电流I），使电子在经过的路程l中恰好包含有整数个螺距h，这时电子射线又将会聚于一点，这就是电子射线的磁聚焦原理． 3、零电场法测定电子荷质比 因为θ 很小，可以近似认为电子在均匀磁场中运动时，具有相同的轴向速度v//=，由前述原理，通过改变励磁电流I，可以改变螺距h=，而增大B，使电子在磁场作
实验 金属电子逸出功的测定 金属电子逸出功（或逸出电位）的测定实验，综合性地应用了直线测量法、外延测量法和补偿测量法等多种基本实验方法。在数据处理方面，有比较独特的技巧性训练。因此，这是一个比较有意义的实验。在国内外，已为许多高等学校所采用。 拓展实验 Ⅰ用磁控法测量电子比荷 Ⅱ测量热电子发射的速率分布规律 实验目的 1. 用里查孙直线法测定金属（钨）电子的逸出功。 2. 学习直线测量法、外延测量法和补偿测量法等多种实验方法。 3. 学习一种新的数据处理的方法。 实验原理 若真空二极管的阴极（用被测金属钨丝做成）通以电流加热， 并在阳极上加以正电压时，在连接这两个电极的外电路中将有电流通过，如图1所示。这种电子从热金属发射的现象，称热电子发射。从工程学上说，研究热电子发射的目的是用以选择合适的阴极材料，这可以在相同加热温度下测量不同阴极材料的二级管的饱和电流，然后相互比较，加以选择。但从学习物理学来说，通过对阴极材料物理性质的研究来掌握其热电子发射的性能，这 是带有根本性的工作，因而更为重要。 图1 ⒈ 热电子发射公式 1911年里查孙提出了之后又经受住了20年代量子力学考验的热电子发射公式（里查孙定律）为 ?? ? ??- =kT e AST I ?exp 2 （1） 式中?e 称为金属电子的逸出功（或称功函数），其常用单位为电子伏特（eV ），它表征要 使处于绝对零度下的金属中具有最大能量的电子逸出金属表面所需要给予的能量。?称逸出电位，其数值等于以电子伏特为单位的电子逸出功。 可见热电子发射是用提高阴极温度的办法以改变电子的能量分布，使其中一部分电子的能量，可以克服阴极表面的势垒b E ，作逸出功从金属中发射出来。因此，逸出功?e 的大小，对热电子发射的强弱，具有决定性作用。 式中I —热电子发射的电流强度，单位为安培 A —和阴极表面化学纯度有关的系数，单位为安培·米－ 2·开－ 2 S —阴极的有效发射面积，单位为米2 T —发射热电子的阴极的绝对温度，单位为开 k —玻尔兹曼常数，k =1.38×10－23焦耳·开－1 根据（1）式，原则上我们只要测定I 、A 、S 和T 等各量，就可以计算出阴极材料的逸出功?e 。但困难在于A 和S 这两个量是难以直接测定的，所以在实际测量中常用下述的
磁聚焦法测电子荷质比 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】
电子荷质比的测量 胡洋洋 能动07班 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1 v垂直于B 图2 v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
实验报告-磁聚焦法测定电子荷质比 篇一：电子荷质比的测定(实验报告) 大学物理实验报告 实验名称磁聚焦法测电子荷质比实验日期 2020-04-24实验人员袁淳(202002120406) 【实验目的】 1. 了解电子在电场和磁场中的运动规律。 2. 学习用磁聚焦法测量电子的荷质比。 3. 通过本实验加深对洛伦兹力的认识。 【实验仪器】 FB710电子荷质比测定仪。 【实验原理】 当螺线管通有直流电时，螺线管内产生磁场，其磁感应强度B的方向，沿着螺线管的方向。电子在磁场中运动，其运动方向如果同磁场方向平行，则电子不受任何影响；如果电子运动力向与磁场方向垂直，则电子要受到洛伦兹力的作用，所受洛伦兹力为： F?evB 将运动速度分解成与磁感应强度平行的速度 v//和与磁感应强度垂直的速度v?。v//不受洛伦兹力的影响，继续 沿轴线做匀速直线运动。?在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，其方程为：
2 mv F?evB? r 则 由阴极发射的电子，在加速电压U的作用下获得了动能，根据动能定理， 2 e2U ?则 2m(rB) 保持加速电压U不变，通过改变偏转电流I，产生不同大小磁场，保证电子束与磁场严格垂直，进而测量电子 v e?? mrB 1 mv?eU2 束的圆轨迹半径，就能测量电子的 r m值。
32 4?0NIB?()?螺线管中磁感应强度的计算公式以 5R 数=130匝； R为螺线管的平均半径=158mm。得到最终式： 表示，式中?0=4?×10 -7 H/m。N是螺线管的总匝 e?125?UR2U12 ???3.65399?10?22?C/kg??2m?32??0NIrIr 测出与U与I相应的电子束半径，即可求得电子的荷质比。 r 【实验步骤】 —第 1 页共 2 页— 1. 接通电子荷质比测定仪的电源，使加速电压定于120V，至能观察到翠绿色的电子束后，降至100V； 2. 改变偏转电流使电子束形成封闭的圆，缓慢调节聚焦电压使电子束明亮，缓慢改变电流观察电子束大小和偏转的变化； 3. 调节电压和电流，产生一个明亮的电子圆环； 4. 调节仪器后线圈的反光镜的位置以方便观察； 5. 移动滑动标尺，使黑白分界的中心刻度线对准电子枪口与反射镜中
实验报告 姓名：班级：学号：实验成绩： 同组姓名：实验日期：2008/03/31 指导老师：批阅日期： --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 磁聚焦法测定电子荷质比 【实验目的】 1、学习测量电子荷质比的方法。 2、了解带点粒子在电磁场中的运动规律及磁聚焦原理。 【实验原理】 1、电子在磁场中运动的基本参数 2、零电场法测定电子荷质比 =n2*1014 3、电场偏转法测定电子荷质比
= 【实验数据记录、结果计算】 数据记录 系数： K1==3.789*107 电子荷质比理论值： X0==1.758*1011c/kg 实验数据： /V /V
数据处理与结果比较 0.415 =0.427 0.855 1.289 X1=k=1.766*1011 c/kg 与理论值的相对误差=0.455% 励磁电流 /A 平均励磁电流/A 0.455 =0.450 0.898 1.346 X2=k=1.778*1011 c/kg 与理论值的相对误差=1.14% 电场偏转法测定电子荷质比： X偏转板上加交流偏转电压：
/V（）（（）（ 结果分析 用零电场法测出的电子荷质比和理论值分别相差了0.455%与1.14%。尤其是850V情况下的结果，准确度较高。 用电场偏转法测电子荷质比时，在X偏转板上加交流偏转电压后，发现（）相对理论值普遍偏大，（）相对理论值普遍偏大。且二者偏离的大小差不多。 现对螺旋线的起点位置进行大致估计： 由计算公式，得 =*0.107=0.114m =*0.123=0.114m 由此可见，螺旋线的起点位置大约在0.114m附近。 【问题思考与讨论】 1、为什么螺线管磁场要反向测量后求平磁感应强度来计算荷质比？ 排除地磁场在螺线管轴线上的分量上的影响。事实上，当螺线管是东西方向放置时，地磁场的轴向分量影响被消除了。虽然地磁场通过螺线管沿管径向的分量会对电子的运动产生影响，但这个影响是十分微小的，且即使有影响，对正向反向的影响也是沿轴向对称的，也就是不会使得二者出现螺距上的差别。 2、如何判断一次聚焦、二次聚焦、三次聚焦？ 如果显示屏上第二次显示一个点时的电流读数大约是第一次显示时的2倍左右，就说明前者为二次聚焦，后者为一次聚焦。此由荷质比的实验推导式容易得到。 3、总结 这次实验中，由于操作较为缜密，而且对于数据的采取比较合理，使得在零电场测量荷质比时误差很小，比较满意，且取平均值运算也使得误差相对较小。而用电场偏转法进行测
汤姆孙电子比荷测定的几种方法 普通高中课程标准物理选修3-5第十八章《原子结构》的第一节“电子的发现”中,教材介绍了英国物理学家J. J. 汤姆孙应用气体放电管发现电子的研究过程,教科书中以“思考与讨论”的形式向学生展示汤姆孙如何确定阴极射线的带电性质和电子的比荷测定过程,但是对于实验中如何来确定电子在磁场中运动的半径r,教科书只是用了一句话“阴极射线的粒子做圆周运动的半径r可以通过P3点的位置算出”来表述,对于这句话有些好学的学生在课后花时间钻研,并问了以下几个问题. (1)是如何由P3点的位置推算出粒子在磁场做圆周运动的半径r? 学生做了书后的“问题与练习”中的第4题后,发现计算比荷的方法与书中介绍的方法是不同的,提出: (2)汤姆孙当年研究时是用那一种方法来测定电子比荷的? (3)汤姆孙当时研究测定比荷时还有其他方法吗? 这些问题实际可以归结于汤姆孙当年是如何测算电子比荷的,以下就此作一介绍. 教科书中介绍的是汤姆孙利用磁偏转法测定电子比荷的,后面的问题与练习中介绍的是汤姆孙利用电场偏转法测定电子比荷的,其实汤姆孙还用法拉第筒来测定电子的比荷,汤姆孙还设计了一种利用电磁偏转方法来测定正离子比荷的实验装置. 一、利用磁偏转法测量电子比荷 如图1所示,就是教科书中向学生介绍的当年汤姆孙通过气体放电管利用磁偏转法测量电子比荷. (1)当金属板D1、D2之间不加电场时,射线不偏转,打在屏上的P1点,加上图示的电场后,射线打在屏上的P2点,说明射线带负电. (2)再在D1、D2之间加上一个磁场,让射线回到P1点,由二力平衡(速度选择器原理)得: Ee=evB,v==. (3)撤去电场,射线只在磁场的作用下打到了荧光屏的P3点,如图2所示,P1到P2的距离为y,阴极射线在磁场中运动:由洛仑兹力提供向心力:
大学物理实验报告 实验名称磁聚焦法测电子荷质比 实验日期2010-04-24 实验人员袁淳(200902120406)
大学物理实验报告——磁聚焦法测电子荷质比 —第 1 页 共 2 页— 【实验目的】 1. 了解电子在电场和磁场中的运动规律。 2. 学习用磁聚焦法测量电子的荷质比。 3. 通过本实验加深对洛伦兹力的认识。 【实验仪器】 FB710电子荷质比测定仪。 【实验原理】 当螺线管通有直流电时，螺线管内产生磁场，其磁感应强度B 的方向，沿着螺线管的方向。电子在磁场中运动，其运动方向如果同磁场方向平行，则电子不受任何影响；如果电子运动力向与磁场方向垂直，则电子要受到洛伦兹力的作用，所受洛伦兹力为： 将运动速度分解成与磁感应强度平行的速度//v 和与磁感应强度垂直的速度⊥v 。//v 不受洛伦兹力的影响，继续沿轴线做匀速直线运动。⊥v 在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，其方程为： 则 由阴极发射的电子，在加速电压U 的作用下获得了动能，根据动能定理， 则 保持加速电压U 不变，通过改变偏转电流I ，产生不同大小磁场，保证电子束与磁场严格垂直，进而测量电子束的圆轨迹半径r ，就能测量电子的m e 值。 螺线管中磁感应强度的计算公式以R NI B 023)54(μ?=表示，式中0μ=4π×10-7H/m 。N 是螺线管的总匝 数=130匝； R 为螺线管的平均半径=158mm 。得到最终式： ()()kg C r I U NIr UR m e /1065399.3321252212202??=??? ??=μ 测出与U 与I 相应的电子束半径r ，即可求得电子的荷质比。 【实验步骤】 2)(2rB U m e =eU mv =221evB F =r mv evB F 2==rB e ν= m