Заказ работы

Заказать
Каталог тем
Каталог бесплатных ресурсов

Определение удельного заряда электрона методом Томсона

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

МЕТОДОМ ТОМСОНА

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определение отношения заряда электрона к его массе на основе взаимной компенсации от­клонений, вызываемых взаимно перпендикулярными элект­рическими и магнитным полями, одновременно действующими на пучок электронов, движущийся перпендикулярно к обоим полям. определение отношения заряда электрона к его массе на основе взаимной компенсации от­клонений, вызываемых взаимно перпендикулярными элект­рическими и магнитным полями, одновременно действующими на пучок электронов, движущийся перпендикулярно к обоим полям.

2 БИБЛИОГРАФИЯ

1 Савельев И.В. Курс физики: Учеб. пособие для студентов втузов.- [В 3-х т.].- Т.2: Электричество и магнетизм. Колебания и волны. Оптика.- М.: Наука, 1989.- 496 с.

2 Трофимова Т.И. Курс физики.- М.: Высш. шк., 1998.- 542 с.

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Идея метода определения удельного заряда электрона принадлежит известному  английскому физику Дж. Томсо­ну. Он использовал этот метод в 1897 г., чтобы установить природу катодных и анодных лучей в трубках с разреженными газами. Эти опыты привели к открытию электрона и изотопов. Впервые был определен удельный заряд электро­нов.

Рисунок 1

На рисунке 1 схематически показан прибор для определения удельного заряда электрона методом Томсона. источником электронов служит подогреваемый катод К. испускаемые катодом электроны ускоряются и фокусируются анодом А, имеющим форму цилиндра. Сфокусированный пучок электронов попадает в пространство между пласти­нами П плоского конденсатора, а затем на флуоресцирующий экран Э, вызывая его свечение при соударении с элек­тронами. Все элементы прибора помещены в стеклянный сосуд, в котором создано разряжение. Если на пластины конденсатора подать напряжение, то пучок электронов будет двигаться в практически однородном электрическом поле, которое будет отклонять электроны в вертикальном на­правлении. Вследствие этого пучок электронов попадёт не в центр экрана, а сместится на некоторое расстояние у (рисунок 2). Вычислим величину этого смещения.

Рассмотрим узкий пучок электронов, который вследствие электрического поля попадает на экран в точку О. Найдём отклонение следа на экране, вызываемого однородным электрическим полем, перпендикулярным  к направлению движения   электронов и  действующим на

                                                        Рисунок 2

пути длиной l. Обозначим первоначальную скорость электронов через  V0. На электрон в электрическом поле действует сила , которая сообщает ему постоянное  по  величине и направлению ускорение у = e lm. Под действием электрического поля электроны находятся в течение времени   t =  l/V0. За это время они сместятся на расстояние

 

и приобретут перпендикулярную  к  v0  составляющую скорости  равную

 

За пределами поля (вне конденсатора) электроны будут двигаться по инерции прямолинейно под некоторым углом a к направлению скорости  v0.  Тогда

                                      (1)

Вследствие такого прямолинейного движения под углом a к оси прибора вылетевший из конденсатора и достигший экрана электрон дополнительно сместится на расстояние y2 по вертикали. Если обозначить через L расстояние от экрана до ближайшего края конденсатора, то смещение y2  можно вычислить по формуле

 

Таким образом, полное смещение электронов в электрическом поле

           (2)

 Из формулы (2) следует,, что электроны, покидая поле, движутся так, как если бы они вылетали из центра кон­денсатора О' под углом a (рис. 2), определяемым соотно­шением (1). Так как Е = U/d, где dрасстояние между обкладками конденсатора, то для вычисления elm необхо­димо знать параметры прибора l, L, d, а также v0, у, U. Величины U и у можно легко измерить, а для определе­ния v0 Томсон предложил следующий метод, суть которо­го состоит в том, что в области пространства прибора, где имеется электрическое поле, создается одновременно и маг­нитное поле (пунктирная область на рис. 2). Магнитное поле перпендикулярно к электрическому и начальной скорости электронов о. Этим обеспечивалось отклонение электронов в магнитном поле в той же плоскости, что и электрическом поле, т. е. в вертикальной плоскости. Hаправление магнитного поля выбирается таким, чтобы пучок в нем отклонялся в сторону, противоположную его отклонению в электрическом поле. Индукция магнитного поля В должна быть такой, чтобы вертикальная составляющая силы Лоренца, действующей на электроны в магнитном поле, равнялась электрической силе е = е [ 0 ].При таком условии пучок электронов в приборе не будет испытывать отклонения, т. е. попадет в точку О на экране. Из условия равенства электрической и магнитной сил но определить va и выразить ее через экспериментально измеряемые величины. Действительно,Если магнитное поле создается с помощью соленоида, то H=nI, и с учетом того, что m= 1. получаем,где I — сила тока в соленоиде, п — число витков  соленоида на единице его длины. В правой части полученного  выражения стоят величины, которые можно измерить на опыте, и,  следовательно, определить v0.Подставив полученное выражение для v0 в формулу (2), найдем удельный заряд электрона               (3)     где                                          (4)- некоторая величина, зависящая от параметров прибора и являющаяся, постоянной для данного прибора. Измеряя на опыте U, 1, у  и зная постоянную прибора k, можно по формуле (3) вычислить удельный заряд электрона.

4 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Рисунок 3Экспериментальная установка для измерения удельного заряда электронов методом Томсона собрана на базе серийного осциллографа ЛО-70 с электростатическим управлением лучом. Электрическое поле создается в области между вертикально отклоняющими пластинами  П электроннолучевой трубки (рис. 3). Постоянное напряжение  U на пластины подается от внутреннего источника осциллографа а его величина  регулируется  потенциометром R и измеряется выносным вольтметром  V.Магнитное поле, силовые линии которого идут горизонтально, создается в той же области пространства, что и электрическое поле с помощью двух катушек индуктивности монтированных снаружи электронно-лучевой трубки. Катушки L питаются от выхода УИПа «20-300 В». Сила тока, проходящего через катушки, регулируется потенциометром выхода «20...300 В» УИПа и измеряется миллиамперметром, смонтированным на его передней панели. В соответствии с требованиями метода магнитное поле является практически однородным в области между пластинами П и  быстро убывает вне области  электрического поля.Параметры установки l = 10мм, L=45ммr  d=5мм, а = 4?103 м-1. Размер ячейки сетки экрана осциллографа 6 6 мм.

5 ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1.        Осциллограф типа ЛО-70.2.        Катушка индуктивности.3.        Блок питания УИП-2.

4.        Вольтметр.

5.        Переменный резистор.

6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1 Установить ручки потенциометра R и регулятора выхода «20...300 В» УИПа в крайнее левое положение.2 Включить осциллограф и блок |питания УИП-2 в сеть и дать им прогреться в течение 10 мин. Произвести предва­рительную регулировку осциллографа. Выключить генератор развертки осциллографа и установить след луча в центре экрана.3   Вращая ручку потенциометра R, подать на пластины П напряжение U такой величины, чтобы светящаяся точка на экране осциллографа сместилась от центpa на расстояние 5...20 мм. Величину смещения y и соответствующего ему напряжения U записать в таблицу.  4 Вращением ручки регулятора выхода   «20—300 В» УИПа установить такой ток I  в катушках L, чтобы светящаяся точка на экране вернулась в своё первоначальное положение в центре экрана. Записать в таблицу силу тока I, измеряемого прибором УИПа.5 Повторить измерения, описанные в пп. 3 и 4, 5—8 раз, меняя величину смещения следа электронного луча на экране у.                

                            Обработка результатов измерений

1 Рассчитать величину постоянного множителя k по формуле   (4).2 Пользуясь данными таблицы, определить удельный заряд электронов по формуле (3) для каждого из опытов.3 Найти среднее значение удельного заряда электрона по данным всех опытов и определить абсолютную и относительную  погрешности полученного результата по сравнению  с табличным значением  e/m.4 Определить среднюю скорость электронов по данным одного из опытов по формуле,    .

7 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 По какой траектория будет двигаться заряженная частица, влетающая в однородное магнитное поле перпендикулярно к линиям индук­ции поля?2 Каков характер движения заряженной частицы в однородном магнитном поле?3 Как выводится уравнение кривой, по которой будет происходить движение заряженной частицы в однородном электрическом поле (начальная скорость частицы перпендикулярна к силовым линиям поля)?4 Как вычислить для предыдущего случая величину смешения частицы?5 В чем суть метода Томсона по определению удельного заряда частицы?

6 Как устроен прибор для измерения удельного заряда электронов методом Томсона?



Размер файла: 86.5 Кбайт
Тип файла: doc (Mime Type: application/msword)
Заказ курсовой диплома или диссертации.

Горячая Линия


Вход для партнеров