電子荷質比 (e/m)湯姆生 (J.J.Thomson)

測量電子荷質比的方法

----------- 張振輝(8)

黃博文 (25)

甚麼是電子荷質比 (e/m)?

• 電子的電荷量 e 和質量 m 的比。單位是Ckg-1 。

• 目前世界公認的電子荷質比值 e/m 是 1.76×1011Ckg-1 但在實驗中是很難做出這個數字的，因為實驗中的電埸和磁場不可能絕對均勻，並且電場和磁場不可能伸延至剛好是電子束的長度

測量 e/m 的歷史意義• 當時陰極射線 (cathode ray) 剛被發現，人

們還不瞭解它們是由甚麼物質組成的。荷質比的測定不僅為揭開這種射線的本質提供了一些概念，更重要的是，發現從所有不同陰極表面發射的粒子具有相同的荷質比。這證明陰極射線必定由物質的基本成份所組成，任何金屬中都存在這種成份，現在把這種基本成份稱為電子

陰極射線• 陰極射線是快速運動的電子。電子從熱

陰極蒸發出來後，被陰極與陽極間機高電勢差加速，獲得很高的速度 ( 約為 107

ms-1 ) 。

馬爾塔十字管實驗

由此得出結論一定有某種射線 ( 除熱陰極發射的光線外 )射到了螢光屏上，這種射線稱作陰極射線 (cathode rays)

• 將馬爾塔十字架與超高電壓產生器和 6V 交流電相連接 ( 注意金屬十字架與陽極為相同電勢 )

• 接通交流電，觀察到熱陰極發射光照射到十字架上在螢光屏上形成十字架的清晰陰影

• 接通超高電壓產生器，將電壓調至 1kV 以上，觀察到螢光物質會突然發光，且隨著電壓的增大光亦越明亮 ( 此時只有陰影以外部分才發光陰影部分仍然是暗的

( 由於陰極射線產生的陰影與光產生的陰影剛好重合，故可認為陰極射線來自陰極並且沿直線傳播。它能使某物質發出螢光。 )

• 把一塊條形磁鐵靠近真空管的一側，使其與陽極齊平。

• 當 N 極指向真空管時由陰極射線形成的陰影將下移，當 S 極指向真空管時，陰影將上移，根據弗林明左手定則 (Fleming’s left hand rule) 可知，陰極射線必定帶有負電荷。

利用偏轉管 (metal plate) 及亥姆霍茲線圈 (Helmholtz coil)

量度電子荷質比

• 偏轉管的結構與馬爾塔十字管基本相同。差別是其柱狀陽極端開有一水平窄縫；

• 偏轉管中用一對金屬板取代了馬爾塔十字架；• 螢光屏垂直放置在兩板之間，且與板成一角度。

• 將偏轉管與超高電壓產生器和 6V 交流電相連接 ( 注意該裝置中加速電壓與金屬板間的電勢差相等 )

• 接通交流電將陰極加熱，將超高電壓產生器調節到 3.5kV ，螢光屏上隨即顯示一條發亮且向上彎曲的軌跡形狀是一條拋物線

• 關掉 EHT ，重複實驗，軌跡變成一條水平直線。這表明是電場使陰極射線發生偏轉的，由於陰極射線帶負電，故它必定朝正極金屬板方向偏轉。

亥姆霍茲線圈

• 一對半徑為 R ，匝數都是 N匝的同軸線圈安置在真空泡相對的兩邊，將兩線圈與低電壓產生器和安培計並聯連接，使流過兩線圈的電流相等。

• 當兩線圈間的距離等於 R 時，由兩線圈建立的合成磁場最接近於勻強磁場。

• 按上述佈置的線圈稱為一對亥姆霍茲線圈

• 接通 LT ，把電流調整到 1A ，可觀察到發光軌跡開始彎曲隨電流而增大。若電流方向相反彎曲方向亦相反。

• 此時兩金屬板尚未接電，因此軌跡之彎曲一定是由流過亥姆霍茲線圈的電流所建立的磁場引起的；

• 磁場強度與電流的大小成正比，軌跡彎曲的方向由弗林明左手定則決定。

若同時加上電場和磁場﹐就有可能使電子束不發生偏轉

• 將金屬板重新接到 EHT ，調節電流大小和方向，直到電子束回到中央位置且不發生任何偏轉。

• 記錄電壓 V、電流 I、 R 和 N的讀數，且測量金屬板分開的距離 d 。