Методи визначення питомої заряду електрона

Вище було показано, що відхилення, яке відчувається зарядженими частинками в електричному і магнітному полях, залежить від величини питомої заряду частинки. Тому, вимірюючи це відхилення, можна визначити e / m.

Якщо відома початкова швидкість, і вона може бути певним способом задана в експерименті, то для визначення e / m досить виміряти величину відхилення частки або в електричному, або в магнітному полях і за формулами (10) або (14) розрахувати e / m.

Якщо ж швидкість частинки невідома, то для визначення e / m потрібне застосування і електричного і магнітного відхилення.

1. Прикладом методів першої групи визначення питомої заряду може служити метод магнітної фокусування. Схема досвіду показана на рис.4. Електрони, що емітуються катодом К, прискорюються електричним полем, створеним між катодом і діафрагмою D 1. Діафрагма D 1 має круглий отвір, центр якого збігається з віссю пучка.

Діафрагма D 2 пропускає тільки ті електрони, які рухаються по утворюючим конуса з кутом розкриття 2 α. За діафрагмою D 2 електрони рухаються в зоні аксіального однорідного магнітного поля з індукцією В, створюваного соленоїдом, і потрапляють на люмінесцентний екран Е. Згідно з висновками, отриманими нами раніше, електрони в цьому випадку рухаються по циліндричним спіралям, причому період обертання (див. (17.1 )) електрона не залежить ні від величини. ні від напрямку його початковій швидкості, і визначається тільки величинами e / m і В. Після кожного витка спіралі електрони будуть перетинати вісь пучка на відстанях h. 2 h. від діафрагми D 1. де h - крок гвинтової лінії. У цих точках перетин пучка буде найменшим, тобто в них електронний пучок буде фокусуватися. Регулюючи величину магнітного поля, можна домогтися, щоб фокусування здійснювалася на екрані Е. тобто на відстані l від діафрагми D 1. Умова фокусування пучка на екрані є l = nh. де n = 1,2,3. Підставляючи замість h вираз (18), і з огляду на,

що швидкість υ 0 електронів визначається напругою U. прикладеним між катодом До і діафрагмою D 1.

Остаточно для l = nh маємо l =

де d - відстань між катодом і анодом; S - площа поверхні катода, що дорівнює площі поверхні анода; ε 0 - електрична постійна.

Таким чином, вольт-амперна характеристика вакуумного діода дає можливість визначити відношення e / m.

3. Прикладом методу визначення e / m з використанням магнітного і електричного полів є метод Томсона.

Сутність даного методу полягає в компенсації відхилення електрона, викликаного дією магнітного поля, одночасним дією електричним поле. Якщо електричне та магнітне поле взаємно перпендикулярні і спрямовані таким чином, що перше з них прагне відхилити електрон вгору, а друге вниз, то результуюче напрямок буде залежати від співвідношення сил F e і F m,

Знайдемо з умови рівності сил (19) швидкість υ і підставимо її значення в рівняння (14).

Отримаємо tg β = e B 2 l. звідки m E

Таким чином, знаючи кут відхилення β. викликаний магнітним полем B. і величину електричного поля, що компенсує це відхилення, можна визначити величину e / m.

4. Визначення e / m в схрещених електричному і магнітному полях може бути виконано також за допомогою двоелектродного електровакуумного приладу - діода. Цей метод відомий у фізиці як метод магнетрона. Назва методу пов'язане з тим, що використовувана в діоді конфігурація електричного і магнітного полів ідентична конфігурації цих полів в магнетронах - приладах, використовуваних для генерації електромагнітних коливань в НВЧ області. Суть методу полягає в наступному.

Нехай між циліндричним анодом А і циліндричним катодом К (рис. 5а), розташованим вздовж анода, прикладена різниця потенціалів U a. створює

електричне поле E r. спрямоване по радіусу від анода до катода, а магнітне поле направлено перпендикулярно електричному полю.

У відсутності магнітного поля (B = 0) електрони під дією електричного поля E r між анодом і катодом рухаються прямолінійно від катода до анода (рис. 5б). При накладенні слабкого магнітного поля, напрям якого паралельно осі електродів, траєкторія електронів викривляється під дією сили Лоренца, але вони досягають анода. При деякому критичному значенні індукції магнітного поля B = B кр. траєкторія

викривляється настільки, що в момент досягнення електронами анода вектор їх швидкості спрямований по дотичній до анода. І, нарешті, при досить сильному магнітному полі, коли B> B кр. електрони взагалі не потрапляють на анод. Значення B кр не є постійною

величиною для даного приладу і залежить від величини, яка додається між анодом і катодом різниці потенціалів U a.

Точний розрахунок траєкторії руху електронів в магнетроні складний, тому що електрон рухається в неоднорідному радіальному електричному полі. Однак, якщо радіус катода r багато менше радіуса анода b. то електрон описує траєкторію, близьку до кругової, тому що

напруженість електричного поля, що прискорює електрони, буде максимальною в прикатодной області. При B = B кр радіус кругової траєкторії R електрона, як видно з

рис.5, буде дорівнює половині радіуса анода: R = b / 2. Отже, згідно з (13) маємо

Таким чином, для визначення питомої заряду електрона методом магнетрона досить виміряти анодний різниця потенціалів U a. радіус анода b і критичне

значення індукції магнітного поля B кр. при якому зникає анодний струм.

Досліди з вимірювання питомої заряду e / m заряджених частинок призвели до відкриття самого існування електронів. За допомогою уявлень про електрони були також пояснені закони термоелектронної емісії, фотоефекту, автоелектронної емісії, електропровідність металів. По вивченню відхилення заряджених частинок в електричних і магнітних полях можна визначити питому заряд не тільки електронів, а й іонів. Знаючи масу іонів, можна знайти і масу атомів досліджуваного речовини. Тому вимір e / m для іонів газу є важливим і точним методом визначення атомних мас і широко застосовується в сучасній фізиці. Для цієї мети служать спеціальні прилади, які отримали загальну назву мас-спектрографів (якщо положення пучків визначається фотографічним способом) або мас-спектрометрів (при реєстрації пучків електричними методами).

ОПИС УСТАНОВКИ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМОГО ЗАРЯДУ ЕЛЕКТРОНА МЕТОДОМ магнетрона

У даній лабораторній роботі питома заряд електрона визначається одним з розглянутих методів - методом магнетрона. Для цього в лабораторній установці використовується двохелектродна лампа з циліндровим анодом і катодом. Катод лампи розташований на осі анода, як це показано на рис. 5. Між анодом і катодом прикладено

різницю потенціалів, що створює радіальне електричне поле E r. Електрони, що випускаються катодом, прискорюються цим полем і досягають анода. При накладенні маг-

нітних поля, вектор B r індукції якого перпендикулярний вектору E r. траєкторія електронів викривляється, і при деякому значенні B = B кр (при заданому U a) струм I a через

лампу повинен різко спадати до нуля, як показано пунктирною лінією на графіку залежності I a від B (рис. 6), якщо початкова швидкість всіх електронів однакова.

Насправді електрони, що випускаються катодом, мають різні початковими швидкостями, і анодний струм зменшується не миттєво, а плавно (суцільна лінія на рис. 6). Тому в якості B кр приймають значення індукції магнітного поля відповідне

точці перегину кривої залежності I a = f (B).

Електрична схема лабораторної установки наведена на рис.7. Двоелектродна лампа поміщається всередину довгого соленоїда L, що створює магнітне поле. Між анодом і катодом діода прикладена різниця потенціалів U a. яка вимірюється вольтметром V.

Анодний струм I a через діод вимірюється мікроамперметром. Котушка соленоїда харчується від джерела постійного струму U c. У ланцюзі соленоїда є також амперметр А для вимірювання струму I c через соленоїд. Катодом лампи є нитка розжарення, яка живиться від джерела постійного струму U н і є джерелом електронів.

Для визначення питомої заряду e / m між анодом і катодом додається деяка різниця потенціалів U a і вимірюється залежність анодного струму I a від струму I c соленоїда:

I a = f (I c). Будується графік залежності I a = f (I c) і по точці перегину