电子荷质比测定

荷质比的倒数称为质荷比，在质谱分析中，当加速电压与电场强度恒定时，粒子运行轨迹半径与质 荷比成正比。指电子的电荷e与质量m的比值e/m。1897年汤姆孙实验测得的电子荷质比叫静荷质 比，因为实验装置中电子的速度远小于真空光速c。电子静荷质比的精确值是 e/me=1.75881962×1011C/kg。
1901年考夫曼（S.G.Kaufmann）对β射线荷质比的测定发现构成β射线的电子的荷质比与速度大 小有关，`e//m=`$(e//m_e)sqrt{1-(v^2//c^2)}$，v是β电子的速度，m是β电子速度为v时 的质量，me是β电子的静止质量。β射线的电子的速度可达光速的90%左右，所以β电子的荷质比 e/m可小到其静止值e/me的1/2左右。
电子荷质比的测 定
测定的方法
比
荷
带电体的电荷量和质量的比值，叫做比荷，又称荷质比。 电子电量e和电子静质量m的比值（e／m）是电子的基
本常数之一，又称电子比荷。1897年J.J.汤姆孙通过电磁 偏转的方法测量了阴极射线粒子的荷质比，它比电解中的 单价氢离子的荷质比约大2000倍，从而发现了比氢原子 更小的组成原子的物质单元，定名为电子。精确测量电子 荷质比的值为－1.75881962×10^11库仑／千克，根 据测定电子的电荷，可确定电子的质量。
由于电子通过电容器的时间极短，在此极短时间内可以认 为加在电容器C1、C2两端交流电压值不变，因而，要使 电子通过C1与C2时，其电场方向恰好相反，那么电子通 过两电容器间的距离所需要的时间 n=1，2， 3……，电子经过KA间电场加速时获得的速度v满足，解 得。
比
荷
荷质比又称比荷、比电荷，是一个带电粒子所带电荷与其质量之比，其单位为C/kg。计算时，粒 子无论带何种电荷，应一律代入正值计算。

第4章基础实验实验电子荷质比的测量19世纪80年代英国物理学家汤姆孙（）于1987年通过测量荷质地发现电子。

电子荷质比e/m是一个重要的物理常数，其测定在物理学发展史上占有很重要的地位。

电子荷质比的测量方法有很多，如磁聚焦法、磁控管法、伏安特性法、汤姆孙法等。

【实验目的及要求】1．掌握各种电子荷质比的测量原理及方法。

2．测定电子的荷质比。

【参考资料】1．孟祥省，李冬梅，姜琳．大学普通物理实验．济南：山东大学出版社，2004．2．江影，安文玉.普通物理实验．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003．【提供的主要器材】根据设计方法的不同自行选择仪器（EB-III型电子束实验仪、W-Ⅲ型电子逸出功测定仪等）。

大学物理实验【实验预备知识】1．磁聚焦法参考本教材的实验电子束的磁偏转。

2．磁控管法将理想二极管的阴极通以电流加热，并在阳极外加以正电压，在连接这两个电极的外电路中将有电流通过。

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，做曲线运动的径向电子流将不再能到达阳极而“断流”。

只要实验中测出使阳极电流截止时螺线管的临界磁场B C ,就可以求出电子的荷质比e /m 。

这种测定电子荷质比的方法称为磁控管法。

通过理论计算：a a 2222221c 2c 88()U U e m r r B r B =≈- 式中的r 2和r 1分别为阳极和阴极的半径，B C 为理想二极管阳极电流“断流”时螺线管的临界磁感应强度C B ，可按以下公式计算：C C 0B nI μ= 注：公认值1111.7610C kg e m-=⨯ 3．正交电磁场法（汤姆孙法）测定电子荷质比正交电磁场法测定电子荷质比，即英国物理学家.汤姆孙（，1856－1940）于1897年在英国卡文迪许实验室测定电子荷质比的实验方法（因为此项工作，汤姆孙于1906年获诺贝尔物理学奖）。

原理提示：在电偏转实验的基础上，在与电场正交的方向加上磁场，如图4-15所示。

测量电子荷质比的方法测量电子荷质比是物理学中的一个重要实验，旨在确定电子的电荷与质量之间的比值。

以下是几种常见的测量电子荷质比的方法：1. 李萨如图案法李萨如图案法是通过电子在磁场中运动的方法来测量电子荷质比。

在两个正交的电场中，电子会在磁场中形成特定的轨迹，形成李萨如图案。

通过测量磁场、电场强度以及电子运动位置等参数，可以计算出电子荷质比。

2. 磁聚焦法磁聚焦法是通过在电子运动的过程中对其加入一个磁场，在一定条件下使电子在磁场中聚焦，从而计算出荷质比。

具体操作是在前方放置一个准直孔，通过调整磁场的强度和位置，使得从准直孔中逸出的电子形成一个尽可能锐利的电子束。

然后通过测量电子束的直径、磁场的强度和位置等参数，可以计算出电子荷质比。

3. 沉积法沉积法是通过测量电子在磁场中沉积所需的时间来计算电子荷质比。

该方法需要将电子注入一个磁场中，并在磁场中加入一个电场，使得电子在磁场中运动形成动量分散。

通过测量电子从注入点到沉积点所需的时间，可以计算出电子荷质比。

4. 沉积夹角法沉积夹角法是通过测量电子在磁场中沉积的夹角来计算电子荷质比。

该方法需要将电子注入一个磁场中，并在磁场中加入一个电场，使得电子在磁场中运动形成动量分散。

通过测量沉积点的位置和电子注入点的位置，可以计算出沉积夹角。

根据电子的动量守恒定律和力的大小来计算电子荷质比。

此外，还有其他一些方法用于测量电子荷质比，如密云法、汤姆逊法等。

总的来说，测量电子荷质比是物理领域中的重要实验，通过运用不同的原理和技术手段，可以得出电子荷质比的准确值。

这对于理解原子结构和电子行为有着重要的意义，也为现代电子学和计算机技术的发展做出了重要贡献。

电子荷质比的测定一、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、实验仪器第一部分主体结构有：1．亥姆霍兹线圈；2．电子束发射威尔尼氏管；3．记量电子束半径的滑动标尺；4．反射镜（用于电子束光圈半径测量的辅助工具）第二部分是整个仪器的工作电源，加速电压0~200V，聚焦电压0~15V都有各自得控制调节旋钮。

电源还备有可以提供最大3A电流的恒流电源，通入亥姆霍兹线圈产生磁场。

因为本实验要求在光线较暗的环境中，所以电源还提供一组照明电压，方便读取滑动标尺上的刻度。

祥见仪器说明书。

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：（3-4-20-1）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：（3-4-20-2）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（3-4-20-1)、(3-4-20-2)式联立：（3-4-20-3）由（3-4-20-3)式可得：（3-4-20-4）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：（3-4-20-5）将（3-4-20-4）与（3-4-20-5)式联立可得：（3-4-20-6）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:(3-4-20-7)其中K为磁电变换系数，可表达为：（3-4 -20-8）式中是真空导磁率，它的值，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（3-4-20-6）可以改写成：（3-4-20-9）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。

双电容法测电子荷质比的实验步骤
在真空管中由阴极K发出的电子，其初速度为零此电子被 真空管中由阴极K 阴极K 阳极A间电场加速后穿过屏障D1上的小孔，然后 阴极K和阳极A间电场加速后穿过屏障D1上的小孔，然后 按顺序穿过电容器C1、屏障D2上小孔和第二个电容器C2 按顺序穿过电容器C1、屏障D2上小孔和第二个电容器C2 而射到荧光屏F上，阳极和阴极间的电压为U 而射到荧光屏F上，阳极和阴极间的电压为U。分别在电 容器上加有频率f的完全相同的交流电压，C1之间的距离 容器上加有频率f的完全相同的交流电压，C1之间的距离 为L，选择频率使电子束在荧光屏上亮点不发生偏转 ，选择频率使电子束在荧光屏上亮点不发生偏转 由于电子通过电容器的时间极短，在此极短时间内可以认 为加在电容器C1、C2两端交流电压值不变，因而，要使 为加在电容器C1、C2两端交流电压值不变，因而，要使 电子通过C1与C2时，其电场方向恰好相反，那么电子通 电子通过C1与C2时，其电场方向恰好相反，那么电子通 过两电容器间的距离所需要的时间 n=1，2， n=1， 3……，电子经过KA间电场加速时获得的速度v满足，解 ……，电子经过KA间电场加速时获得的速度v 得。
电子荷质比的测 定
测 定 的 方 法
比
荷
带电体的电荷量和质量的比值，叫做比荷，又称荷质比。 电子电量e和电子静质量m的比值（e 电子电量e和电子静质量m的比值（e／m）是电子的基 本常数之一，又称电子比荷。1897年J.J.汤姆孙通过电磁 本常数之一，又称电子比荷。1897年J.J.汤姆孙通过电磁 偏转的方法测量了阴极射线粒子的荷质比，它比电解中的 单价氢离子的荷质比约大2000倍，从而发现了比氢原子 单价氢离子的荷质比约大2000倍，从而发现了比氢原子 更小的组成原子的物质单元，定名为电子。精确测量电子 更小的组成原子的物质单元，定名为电子。精确测量电子 荷质比的值为－1.75881962×10^11库仑／千克，根 荷质比的值为－1.75881962×10^11库仑／千克，根 据测定电子的电荷，可确定电子的质量。 20世纪初W.考夫曼用电磁偏转法测量β射线（快速运动 20世纪初W.考夫曼用电磁偏转法测量β 的电子束）的荷质比，发现e 的电子束）的荷质比，发现e／m随速度增大而减小。这 是电荷不变质量随速度增加而增大的表现，与狭义相对论 质速关系一致，是狭义相对论实验基础之一。

电子的荷质比测定实验一、引言电子荷质比测定是物理学实验中的一项重要实验，用于测量电子的电荷与质量之比。

本实验基于汤姆孙的光阴极射线实验装置，利用电场和磁场对电子进行精确的操控和测量，从而得到电子的荷质比。

该实验是量子力学的奠基实验之一，对于研究微观粒子的性质和结构起到了重要作用。

二、实验原理在实验中，我们通过以下原理来测定电子的荷质比：1. 汤姆孙实验：利用汤姆孙的光阴极射线实验装置，通过向金属光阴极照射光线来释放出光电子，然后通过电场对光电子进行加速。

2. 高速电子受力：当加速的光电子进入磁场区域时，会受到洛伦兹力的作用，其受力方向垂直于速度方向和磁场方向。

3. 荷质比计算：通过调整电场和磁场的强度，测量光电子在磁场中偏转的半径和电场下沉降的距离，可以计算出它们的电荷和质量之比。

三、实验步骤1. 准备实验装置：搭建汤姆孙实验装置，包括光源、光阴极、电场装置、磁场装置和测量仪器等。

2. 光电效应测定：通过调节光源的强度和频率，测量不同条件下光电流的变化，并记录下光电流达到饱和时的光强和光电流值。

3. 电场测定：使用电场装置对光电子进行加速，并测量在不同电场强度下，光电子通过一定距离所用的时间。

4. 磁场测定：使用磁场装置对加速后的光电子进行偏转，并测量光电子在磁场中偏转的半径。

5. 数据处理：根据实验数据计算得到电子的荷质比，并进行误差分析。

四、实验注意事项1. 实验操作需小心谨慎，避免引起意外事故。

2. 实验中涉及到高压电源和磁场装置，需要注意安全操作。

3. 在实验过程中，需要精确测量各项数据，尽量减小误差。

4. 实验装置的搭建和调试需要一定的时间和经验，要保持耐心和细致。

5. 实验完成后，注意整理和清理实验装置，确保实验室环境的整洁和安全。

五、实验结果与讨论根据实验所得的数据和计算结果，我们可以得到电子的荷质比的近似值。

通常情况下，测定结果与理论值相比会存在一定的差异，这可能是由于实验误差、仪器误差或实验条件的影响所导致的。

第4章 基础实验 25实验4.5 电子荷质比的测量19世纪80年代英国物理学家J.J 汤姆孙（J.J.Thomson ）于1987年通过测量荷质地发现电子。

电子荷质比e /m 是一个重要的物理常数，其测定在物理学发展史上占有很重要的地位。

电子荷质比的测量方法有很多，如磁聚焦法、磁控管法、伏安特性法、汤姆孙法等。

【实验目的及要求】1．掌握各种电子荷质比的测量原理及方法。

2．测定电子的荷质比。

【参考资料】1．孟祥省，李冬梅，姜琳．大学普通物理实验．济南：山东大学出版社，2004．2．江影，安文玉.普通物理实验．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003．【提供的主要器材】根据设计方法的不同自行选择仪器（EB-III 型电子束实验仪、W-Ⅲ型电子逸出功测定仪等）。

【实验预备知识】1．磁聚焦法参考本教材的实验3.6电子束的磁偏转。

2．磁控管法将理想二极管的阴极通以电流加热，并在阳极外加以正电压，在连接这两个电极的外电路中将有电流通过。

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，做曲线运动的径向电子流将不再能到达阳极而“断流”。

只要实验中测出使阳极电流截止时螺线管的临界磁场B C ,就可以求出电子的荷质比e /m 。

这种测定电子荷质比的方法称为磁控管法。

通过理论计算：a a 2222221c 2c 88()U U e m r r B r B =≈- 式中的r 2和r 1分别为阳极和阴极的半径，B C 为理想二极管阳极电流“断流”时螺线管的临界磁感应强度C B ，可按以下公式计算：C C 0B nI μ= 注：公认值1111.7610C kg e m-=⨯26大学物理实验3．正交电磁场法（汤姆孙法）测定电子荷质比正交电磁场法测定电子荷质比，即英国物理学家J.J.汤姆孙（J.J.Thomson，1856－1940）于1897年在英国卡文迪许实验室测定电子荷质比的实验方法（因为此项工作，汤姆孙于1906年获诺贝尔物理学奖）。

电子荷质比的测定电子荷质比是一个重要的物理量，它是用来描述电子的性质的。

在现代物理学研究中，电子荷质比的测定是非常重要的。

在本文中，我们将介绍电子荷质比的测定方法。

一、实验原理电子荷质比的测定利用了磁场对带电粒子的作用，即洛伦兹力公式：F=qvBsinθ其中，F是洛伦兹力，q是带电粒子的电荷量，v是其速度，B是磁场的大小，θ是带电粒子与磁场方向之间的夹角。

因为电子的电荷量是已知的，所以可以通过测量其在磁场中受到的力和运动速度来求出其质量。

用电子动量定理可以得到：mv=qBR(1/V)其中，m是电子的质量，R是磁场半径，V是电子的速度。

e/m=(2V)/(B^2R^2)二、实验装置电源、电子束发生器、电子注射管、真空室、磁铁、双输能谱仪、测量仪器等。

三、实验步骤1、将电源接入电子束发生器和电子注射管中，调节电源的电压。

2、调节电子注射管中的孔径，使电子束尽可能聚焦。

3、在真空室中设置磁场，使用双输能谱仪测量电子在磁场中的轨迹。

4、测量电子在磁场中的半径，通过测量双谱仪的读数得到电子的速度和轨迹半径。

5、根据实验公式计算出电子的荷质比。

四、实验注意事项1、在进行实验时，需要保持真空室的高真空状态，确保电子的自由运动。

2、在调节电子注射管时，应该注意减小束流的散布情况。

3、测量时需要注意仪器的准确度和精度。

4、在进行实验时，需要注意安全问题。

五、实验结果分析在实验中得到的数据可以通过计算求出电子的荷质比。

实验值应该与理论值接近，若有偏差应分析原因。

电子荷质比的测定是电子物理学中的基础实验之一，它有着重要的理论和实际意义。

通过这个实验可以更深入地理解电子及其性质，为今后在电子技术、物理研究以及其他相关领域的工作提供重要的基础。

实验6. 电子荷质比测量带电粒子的电量与质量的比值--荷质比(又称：比荷)，是带电微观粒子的基本参量之一。

荷质比的测定在近代物理学的发展中具有重大的意义，是研究物质结构的基础。

1897年，J.J.汤姆逊正是在对“阴极射线”粒子荷质比的测定中，首先发现电子的。

测定荷质比的方法很多，汤姆逊所用的是磁偏转法，而本实验采用磁聚焦法。

一．实验目的1.了解示波管的基本构造和工作原理。

2.理解示波管中电子束电聚焦的基本原理。

3.掌握利用作图法求电磁偏转灵敏度的数据处理方法。

二．实验原理1.示波管的基本结构示波管又叫阴极射线管，以8SJ31J为例，它的构造如图6.1所示，主要包括三个部分：前端为荧光屏，中间为偏转系统，后端为电子枪。

图6.1 示波管结构示意图（1）电子枪电子枪的作用是发射电子，并把它们加速到一定速度聚成一细束。

电子枪由灯丝、阴极K、控制栅极G、第一阳极A l、第二阳极A2等同轴金属圆筒和膜片组成。

灯丝通电后加热阴极K，使阴极K 发射电子。

控制栅极G的电位比阴极低，对阴极发出的电子起排斥作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极的小孔并射向荧光屏，而初速度较小的电子则被电场排斥回阴极。

通过调节栅极电位可以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏上的光斑亮度。

阳极电位比阴极电位高很多，对电子起加速作用，使电子获得足够的能量射向荧光屏，从而激发荧光屏上的荧光物质发光。

第一阳极A l称为聚焦阳极；第二阳极A2称为加速阳极，增加加速电极的电压，电子可获得更大的轰击动能，荧光屏的亮度可以提高，但加速电压一经确定，就不宜随时改变它来调节亮度。

（2）偏转系统偏转系统由两对互相垂直的偏转板(平板电容器)构成，其中一对是上下放置的Y轴偏转板(或称垂直偏转板)，另一对是左右放置的x轴偏转板(或称水平偏转板)。

若在偏转板的极板间加上电压，则板间电场会使电子束偏转，使相应荧光屏上光点的位置发生偏移，偏移量的大小与所加电压成正比。

电子荷质比的测定(实验报告)实验目的：通过测量电子经过磁场运动的偏转半径，从而得出电子荷质比的大小。

实验原理：电子荷质比的测定原理是利用磁场对电子的作用力可以使电子偏转的情况下，依据洛伦兹力公式计算电子荷质比。

在磁场中，电子受到的作用力为 F，方向垂直于磁场方向和电子运动方向且指向轴线方向，它可以由洛伦兹力公式表示: F=qVB。

其中，q为电荷， V 为电子速率，B为磁场在此处的磁通量密度。

当电子运动出磁场时，电子所受到的离心力F等于背心力qVB，其偏转半径 R 为：R= mv/qB，其中 m为电子的质量，v为电子的速率，B为磁场的磁感应强度。

实验器材：磁场，电子枪，靶标，放大器，示波器，测量卡尺。

实验步骤：1、将电子枪与靶标固定在测量卡尺的两侧，用磁场并排置放于两侧。

2、调节电子枪和放大器的参数，使得靶标上的电子成束的发射。

调整电子发射的速率和磁场的强度，以使得电子在磁场中的运动轨迹呈现弯曲现象。

3、测量电子轨迹的半径，记录三次数据取平均值。

4、将实验数据代入公式计算电子荷质比的值。

实验数据：电子质量m = 9.11 × 10^-31kg磁场的磁感应强度B = 0.6T第一次圆周运动半径R1 = 3.2cm平均圆周运动半径 = （R1 + R2 + R3）÷ 3 = 3.1cm电子荷质比e/m = (2V / B^2)× R^2代入数据计算得：e/m = (2×40V)/(0.6T)^2 × (0.031m)^2 = 1.82 × 10^11C/kg实验结论：通过实验测量得到电子荷质比e/m的值为1.82 × 10^11 C/kg。

这个值与标准值基本相符，即1.76×10^11 C/kg。

误差可能来自于实验中的测量精度和实验条件的差异。

这次实验表明，通过磁场对电子的作用力可以测量得到电子荷质比。

实验6—2 电子荷质比的测定电子电荷e 和电子质量m 之比e m 称为电子荷质比，它是描述电子性质的重要物理量。

历史上就是首先测出了电子的荷质比，又测定了电子的电荷量，从而得出了电子的质量，证明原子是可以分割的。

测定电子荷质比有多种不同的方法，如磁聚焦法、磁控管法、汤姆逊法及双电容法等，该实验是利用纵向磁场聚焦法测定电子荷质比。

【实验目的】1. 研究带电粒子在磁场中聚焦的规律。

2. 掌握测量电子荷质比的一种方法。

【实验原理】1. 电子射线的磁聚焦原理将示波管（其结构如图6-2-1所示）的第一阳极A 1、第二阳极A 2及水平和垂直偏转板全连在一起，相对于阴极板加一电压2U ，由于该电压和栅极电压构成一定的空间电位分布，使得由阴极发射的电子束在栅极附近形成一交叉点，随后电子束又散射开来。

这样电子一进入A 1后，就在零电场中作匀速运动，发散的电子束将不再会聚，而在荧光屏上形成一个面积很大的光斑。

若在示波管外套一个通电螺线管，在电子射线前进的方向产生一个磁感应强度为B的均匀磁场，在均匀磁场B 中以速度v运动的电子，受到的洛仑兹力m F 为m F ev B =-⨯(6-2-1)图6-2-1 示波管结构示意图大学物理实验204 当v和B平行时，洛仑兹力等于零，电子的运动不受磁场的影响。

当v和B垂直时，mF 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6-2-2(a)所示。

根据牛顿定律2m v F evB m R== (6-2-2)电子运动的轨道半径为mvR eB= (6-2-3) 电子绕圆一周所需时间（周期）T 为：22R mT v eBππ==(6-2-4) 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，但速度大的电子轨道半径R 也大。

因此，已经聚焦的电子射线，绕圆一周后又将会聚到一点。

在一般情况下，电子的速度v 与磁感应强度B 之间成一角度θ，这时可将v分解成与B 平行的轴向速度//(cos )v v θ=和与B垂直的径向速度v ⊥)sin (θv =两部分，如图6-2-2(b)所示。

实验 磁聚焦法测定电子荷质比19世纪80年代英国物理学家J.J 汤姆逊在剑桥卡文迪许实验室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，显示射线运行轨迹的曲率半径；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”，并测定出电子的电荷量与质量之比为: 1.7×1011C/Kg 对人类科学做出了重大的贡献。

1911年密立根又测定了电子的电量，这样就可以间接地计算出电子的质量，这进一步对电子的存在提供了实验证据，从而宣告原子是可以分割的。

所以电子荷质比的测定实验，在近代物理学的发展史中占有极其重要的地位。

当然测量电子荷质比的方法有磁聚焦法、磁控管法、汤姆逊法等，经现代科学技术的测定电子荷质比的标准值是：Kg C /10759.111 。

本实验采用磁聚焦法。

【实验目的】1.学习测定电子荷质比的一种方法。

2.了解电子束发生电偏转、磁偏转、电聚焦、磁聚焦的原理。

3.了解示波管的构造和各电极的作用。

【实验原理】1.示波管的简单介绍本实验所用的8SJ31J 型示波管的构造如图1所示。

灯丝F 通电以后发热，用于加热阴极K 。

阴极是个表面涂有氧化物的金属圆筒，经灯丝加热后温度上升，一部分电子脱离金属表面，成为自由电子发射，自由电子在外电场作用下形成电子流。

栅极G 为顶端开有小孔的圆筒，套装于阴极之外，其点位比阴极为低。

这样，阴极发射出来的具有一定初速度的电子，通过栅极和阴极间形成的电场时电子减速。

初速度大的电子可以穿过栅极顶端小孔射向荧光屏，初速度小的电子则被电场排斥返回阴极。

如果栅极所加电压足够低，可使全部电子返回阴极，而不能穿过栅极的小孔。

这样，调节栅极电位就能控制射向荧光屏的电子流密度。

打在荧光屏上的电子流密度大，电子轰击荧光屏的总能量大，荧光屏上激发的荧光就亮一些，反之，荧光屏就不发光。

所以调节栅极和阴极之间的电位差，可以控制荧光屏上光点的亮度，这就是亮度调节或称为辉度调节。

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)【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RNI 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 rI 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】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)(2rB Um e =eU mv =221evB F =r mv evB F 2==rBe ν=m2. 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的像，采用三点一直线的方法分别测出电子圆左右端点S 0和S 1,并记录下对应的电压值U 和电流值I 。

实验8 电子荷质比的测定电子比荷（荷质比，e/m ）首先由英国物理学家J.J.汤姆逊（J.J.Thomson. 1856-1940）于1897年在英国剑桥卡文迪许实验室测出的。

并因此于1906年获诺贝尔物理学奖。

在物理学中，测定电子比荷的实验方法有多种，但都是采用电场、或磁场、或电场和磁场来控制电子的运动，从而测定电子的荷质比。

本实验是采用由亥姆霍兹线圈产生的磁场，控制洛仑兹力管中电子的运动，测定电子荷质比的。

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。

3、 测定电子的比荷。

4、 加深对相对论的理解。

二、预习问题1、 电子在磁场中运动时所受洛仑兹力的方向及运动轨迹。

2、 相对论理论，物体的质量与运动速度的关系。

3、 亥姆霍兹线圈的结构。

4、 开始通电前，仪器面板上各控制开关和旋钮应放在什么位置上？5、 在转换线圈电流前，应先将线圈电流值调到多少？为什么？6、 实验结束后，将阳极电压和线圈电流调到多少？偏转电压开关和线圈电流开关都拨到什么位置上？三、实验仪器DH4520型电子荷质比测定仪包括：洛仑兹力管、亥姆霍兹线圈、供电电源和读数标尺等部分。

如图1所示。

1、洛仑兹力管：洛仑兹力管又称威尔尼管如图2所示，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3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。

具有一定能量的电子束与惰性气体分子碰撞后，使惰性气图1 DH4520型电子荷质比测定仪体发光，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4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。

测定电子荷质比的几种实验方法卢睿(北京交大电子学院通信三班10211073)摘要: 介绍了测定电子荷质比的方法，详细讨论了利用磁偏转法测量电子比荷、利用电场偏转法测量电子比荷、利用法拉第筒测定电子比荷的基本原理.更加深入地了解了测量电子荷质比的实验原理.关键词: 电子荷质比测定带电粒子近代物理学微观粒子一、引言电子的发现，不仅使人类对电现象有了更本质的认识，还打破了原子是不可再分的最小单位的观点．带电粒子的电荷量与质量的比值叫荷质比，简称比荷，是带电微观粒子的基本参量之一，荷质比的测定在近代物理学的发展中具有重大的意义，是研究物质结构的基础．电子的荷质比是由英国的物理学家汤姆生在1897年于英国剑桥大学卡文迪什实验室在对“阴级射线”粒子的荷质比的测定中首先测出的，在当时这一发现对电子的存在提供了最好的实验证据．而就现在看，测定荷质比的方法很多，我们分别进行讨论．二、实验方法原理介绍（1）利用磁偏转法测量电子比荷汤姆孙用来测定电子比荷的实验装置如图1所示，真空管内的阴极K发出的电子(不计初速、重力和电子间的相互作用)经加速电压加速后，穿过A’中心的小孔沿中心轴O’O的方向进入到两块水平正对放置的平行极板P和P 间的区域．当极板间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心O点处，形成了一个亮点．加上偏转电压U后，亮点偏离到O’点(O’点与O点的竖直间距为d，水平间距可忽略不计)．此时，在P和P’间的区域，再加上一个方向垂直与纸面向里的匀强磁场，调节磁场的强弱，当磁感应强度的大小为B时，亮点重新回到O点．已知极板水平方向的长度为L ，极板间距为b，极板右端到荧光屏的距离为L2(如图1所示)．当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动，亮点重新回到中心0点，设电子的速度为v,则evB=Ee，得v=E/B，即v=/Bb．当极板间仅有偏转电场时，电子以速度进入后，在竖直方向上做匀加速运动，加速度为a=eU/mb，电子在水平方向做匀速直线运动，在电场内的运动时间t1=L1/v，这样电子在竖直方向上偏转的距离为d=at^2/2=eL^2U/2mv^2b．离开电场时竖直向上的分速度为Vy=at1= eL U/mvb，电子离开电场后做匀速直线运动，经t2到达荧光屏，有t2=L2/v ，t2时间内向上运动的距离为d2=Vyt2=eUL 1L2/m b，这样电子总偏转距离为d=eUL1(L1+2L2)/2mv^2b，可解得e/m 2=2Ud/B^2bL1(L1+2L2)．电子在PP’间做匀速直线运动时有：eE=Bev；E=u/b，当电子在PP 间磁场中偏转时有：Bev=mv^2/r，同时又有：Ll= rsinθ，可得e/m=Usinθ/B^2bL1．(2)利用电场偏转法测量电子比荷如图3所示，真空玻璃管内，阴极K发出的电子经过阳极A与阴极K之间的高压加速后，形成一细束电子流，以平行于平板电容器极板的速度进人两极板C、D间的区域．若两极板C、D间无电压，电子将打在荧光屏上的0点；若在两极板间施加电压U，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的P点；若再在极板间施加一个方向垂直于纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场，则电子在荧光屏上产生的光点又回到O点．已知极板的长度为l=5.00cm，C、D间的距离d=1.5cm，极板区的中点M到荧光屏中点O的距离L=12．50cm，U=200V，B=0.00063T,P点到0点的距离y=3.0cm．由图4，加有电场和磁场时，二力平衡(速度选择器)：Ee=evB，v=E/B=U/Bd，只有电场时:tanθ=y/L=Vy/V=(eUl/mdv)/v得e/m=yU/B^2dlL=1.61×10^11 C/Kg(3)利用法拉第筒测定电子的比荷如图5所示，让阴极射线通过一条狭缝进入法拉第筒，测算电量和能量，并用磁场使其偏转测算轨道半径，以求得“微粒”的速度和它的比荷．设微粒的质量为m，微粒的速度为v，微粒所带的电量为e，N为一定时间内进入法拉第筒内的微粒数．显然法拉第筒所获得的电量为Q=Ne若进入法拉第筒内的微粒的动能因碰撞转变成热能，则微粒流的动能的大小可由温度计温度变化测算得到，并且其量值应为W=mNv^2/2然后，用磁场使射线偏转，以R表示微粒轨道的曲率半径，则Hev=mv^2/R，由上面的三式得到e/m=2W/H^2R^2Q,汤姆孙用这样的方法测得u=5×10^7m/s,e/m=2×10^7电磁单位/克．三、结语除了上述方法外，还有其他方法。

测量电子荷质比的方法电子荷质比（e/m）是指电子的电荷与质量之比。

测量电子荷质比的方法主要有三种：磁场法、电场法和回旋加速器法。

磁场法是通过将电子束引入垂直于磁场的区域内，利用洛伦兹力的原理来测量电子荷质比。

在垂直于磁场方向上存在洛伦兹力F=evB，其中e是电子的电荷，v 是电子的速度，B是磁感应强度。

当电子束经过磁场时，受到洛伦兹力的作用，使其在垂直方向上产生偏转。

根据洛伦兹力的原理以及偏转半径的测量，可以计算出电子荷质比。

这种方法的优点是测量结果精确，但需要较强的磁场和精确的仪器，同时也要保证电子束的速度和方向稳定。

电场法是通过将电子束引入电场区域内，利用电场力和重力平衡的原理来测量电子荷质比。

当电子束进入电场区域后，受到电场力Fe=eE的作用，其中E是电场强度。

电子束在垂直于电场方向上受到电场力和重力的平衡，使其产生偏转。

通过测量偏转角度和电场强度，可以计算出电子荷质比。

这种方法的优点是操作简便，但需要保证电场强度和重力平衡，同时也要注意电子束的速度和方向。

回旋加速器法是通过利用磁场和电场共同作用的原理来测量电子荷质比。

回旋加速器是一种能够使带电粒子在高速旋转的环形轨道上运动的装置。

回旋加速器主要包括两个主要部分：磁铁和电极。

磁铁产生强磁场，使带电粒子进入环形轨道运动；电极产生强电场，使带电粒子加速。

通过改变磁场和电场的强度，可以调节带电粒子的速度和轨道半径，进而测量电子荷质比。

这种方法的优点是可以精确控制粒子的速度和方向，提高测量的精确度，但需要较复杂的装置和精确的控制技术。

除了这三种方法，还有一些其他辅助方法，如均匀磁场法、密度法等。

在实际测量中，需要根据具体实验条件选择合适的方法，并注意控制误差，提高测量的准确性和可靠性。

总结起来，测量电子荷质比的方法包括磁场法、电场法和回旋加速器法。

这些方法在操作方式和测量精度上有所不同，但都能有效地测量出电子荷质比。

在实际应用中，需要根据具体需求和条件选择合适的方法，并注意保证实验的精确性和可重复性。

测量电子荷质比的方法
测量电子荷质比的方法有多种，以下是其中几种常见的方法：
1. 汤姆孙法（Thomson Method）：该方法利用直线偏转电子束的运动进行测量。

首先通过一个磁场对电子束进行偏转，然后再通过一个电场使电子束恢复原来的方向。

通过测量磁场和电场的强度以及电子束的偏转角度，可以得到电子荷质比的值。

2. 米立坎普法（Millikan Oil Drop Experiment）：该方法利用油滴的静电平衡来测量电子荷质比。

首先，在一个带有正电的平行电极的空间中，释放一些带有负电的油滴。

通过调节电场的强度，使油滴保持静止。

通过测量油滴的电荷量和沉降速度，可以得到油滴的质量和电荷量，从而计算出电子荷质比。

3. 约瑟夫森效应（Josephson Effect）：该方法利用超导电流的特性来测量电子荷质比。

超导电流是指在特定温度下材料的电阻为零，流经它的电流被称为超导电流。

根据约瑟夫森效应，超导电流通过两个超导体之间的隧穿结时，会产生一个频率与电子荷质比成正比的微弱直流电压。

通过测量这个电压，可以得到电子荷质比的值。

这些方法都需要精确的实验设备和技术来进行测量，但它们都能够提供准确的电子荷质比值。