测定荷质比的实验方法研究

一．引言

电子的返现，不仅使人类对电现象有了更本质的认识，还打破了原子时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年与英国剑桥大学卡文迪什实验室在对“阴极射线”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

汤姆生用来测定电子比荷的实验装置如图所示，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于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，极板右端的荧光屏的距离为L2.

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O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

，电子在水平方向做匀速直线运动，在电场内的运动时间

。

，电子离开电场后做匀速

，t2时间内向上运动的距离为

，可解，这

样电子在竖直方向上偏转的距离为 离开电场是竖直方向上的分速度为直线运动，经t2到达荧光屏，有

，这样电子总偏转距离为

得

。

电子在PP’间做匀速直线运动时有：，当电子在PP’间磁场中偏

转时有：，同时又有：，可得。

（2）利用电场偏转法测量电子比荷

如图所示，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入两极板CD间的区域。 若两极板CD间无电压，电子将打在荧光屏上的O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，则电子在荧光屏上课产生的光点又回到O点。

已知极板的长度为I=5.00cm，CD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O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）：只

有

电

场

时

：

。

（3）利用法拉第筒测定电子的比荷

如图所示，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，并且其量值应为场是射线偏转，以R表示微粒轨道的曲率半径，则得到

然后，用磁，由上面的三式

，得

，汤姆生用这样的方法测得电磁单位/克。

三．结语

除了上述方法外，还有其他方法，比如用自制电子管测定电子比荷，还有专门测量荷质比的专利项目。方法不同，其结果的精确程度也不同，上述方法都很简单，比不上塞曼效应等复杂方法的结果精确，但本报告介绍的都是十分基础且重要的实验方法，对于我更加全面且扎实的理解电子荷质比的测量原理大有帮助。

参考文献：【1】大学物理实验 北京交通大学

【2】关于电子比荷的几种测量方法 钱国荣 【3】汤姆生电子比荷测定的几种方法 方颖 【4】测定电子荷质比的几种实验方法 陈宝友

测定荷质比的实验方法研究

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