带电粒子比荷测定方法-大学物理

粒子所带电量和质量是粒子的基本性质，要认识一个粒子，必须首先确定它的电量与质量之比，称为比荷。下面简要介绍电子和一般离子比荷的测定方法。

1.电子比荷的测定

图7—23是一种用磁聚焦法测定电子比荷的装置的示意图，其中G是一个抽成真空的玻璃管，其右侧的端面是荧光屏。在与荧光屏相距l处是一个由两块平行金属板组成的偏向板C，它与平行板电容器相似，并有两个引至管外的电极，若与交变电源相接，两板之间会产生交变电场。安装在玻璃管左端的是阴极K和阳极A（中间有一小孔），阴极K可通以电流加热而发射电子。将这个装置整个放置在长螺线管中部，使螺线管产生的匀强磁场与管的纵向轴线相平行。

图7—23　测定电子比荷的装置示意图

由阴极发射的电子被阳极与阴极之间的电势差dU加速后，并从阳极中间的小孔射出，形成很细的电子束。当偏向板未连接交变电源时，电子束则射在荧光屏的中心点O。当偏向板接通交变电源后，经过偏向板电场的电子将随时间的不同，受到大小和方向不同的电场作用，并沿轴线方向产生不同程度地偏转，因而沿不同的螺旋线运动，荧光屏则出现一个较大的亮斑。如果调节磁感应强度B的大小，改变各螺旋线的螺距，使之等于l，那么电子将重新会聚于荧光屏的中心点O。

根据上面的分析可以很容易地求得电子的比荷。电子从阳极小孔中射出时的动能为mv2/2=eΔU，由此可以求得电子的运动速率为

螺距h等于l，即

将上述两式消去v，即可求得电子的比荷

将测得的△U、B和l代入式（7—43），就可计算出电子的比荷。当电子的速率远小于光速时，其比荷的绝对值为

e/m=1.759×1011C·kg-1(www.xing528.com)

2.离子比荷的测定

测定离子比荷的仪器——质谱仪（见图7—24）。离子被狭缝S1和S2之间的电场加速后进入速度选择器P。速度选择器P是由两块平行金属板组成的，与平行板电容器相似。两板之间施加电势差，产生电场E，方向从右至左。在两板之间还存在磁感应强度为B1的磁场，方向为垂直于纸面向里。电量为q的正离子进入速度选择器后将受到方向相反的电场力Fe和磁场力Fm的作用，而只有速度为v的那些离子不偏不斜正好从狭缝S0射出，因为v满足Fe=Fm，即

qE=qvB1

解得正离子的速率为

离子从狭缝S0射出后进入另一个磁场，其磁感应强度为B2。离子在该磁场的作用下将做圆周运动，向心力就是离子所受洛伦兹力，即

式中，m为离子的质量；R为轨道半径。

离子在磁场中运行半周后落在照相底片AA'上，由底片记录的离子位置可以测出半径r，连同已知的e、B1和B2一起代入式（7—44），即可得出离子的比荷。

图7—24　质谱仪

如果在离子束中包含质量不同的同位素离子，那么不同质量的离子将落在照相底片的不同位置上，形成类似于光谱线那样的线条。根据光谱线的条数可以确定同位素的种类，根据各条谱线的位置算出相应离子的质量。对于原子性离子，所得离子质量就是该同位素的原子量。