Подставив (1) в (6), получим

ОБЩИЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ

Определение удельного заряда электрона методом магнетрона

Методические указания к лабораторной работе

Пермь 2010

Составители:доцентыА.С. Ажеганов, С.И. Гущин, И.В. Изместьев, асс.Г.П. Спелков

УДК 539.1

Общий физический практикум. Определение удельного заряда электрона методом магнетрона: метод. указ. к лаб. работе/ сост. А.С. Ажеганов, С.И. Гущин, И.В. Изместьев, Г.П. Спелков; Перм. гос. ун-т. – Пермь, 2010. – 15 с.

Дано теоретическое обоснование метода магнетрона, применяемого для определения удельного заряда электрона. Подробно описано устройство экспериментальной установки. Приведены методики выполнения измерений и обработки результатов опыта.

Предназначено для студентов физического факультета, выполняющих программу общего физического практикума по курсу «Физика атома и атомных явлений».

Печатается по решению методической комиссии физического факультета Пермского государственного университета.

Приборы и принадлежности: электронная лампа СО-118 с цилиндрическими анодом и катодом (магнетрон), соленоид, универсальный источник питания УИП-2, источник постоянного тока соленоида, два амперметра и микроамперметр.

Цель работы: ознакомиться с одним из методов измерения удельного заряда электрона. Провести измерения удельного заряда с помощью магнетрона, выполнить обработку данных эксперимента.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА

В основе эспериментальных методов определения e/m лежат результаты исследования движения электрона в электрических и магнитных полях. Первое определение удельного заряда было произведено в 1897 г. Дж. Томпсоном путем измерения траектории движения электрона в однородных электрическом и магнитном полях. Позднее был разработан ещё ряд методов определения отношения: метод двух конденсаторов, метод фокусировки продольным магнитным полем [1,2] и ряд других. Удельный заряд электрона можно определить не только из электрических измерений, но и из оптических. Настоящая работа посвящена определению удельного заряда электрона с помощью магнетрона [3].

Движение электрона в однородном электрическом поле

На электрон, находящийся в электрическом поле с напряжённостью Eдействует сила Кулона [1, 2]

F_к= –еЕ,

где е=1, 602 *10^-19 Кл – величина элементарного заряда. Пролетев расстояние между двумя пластинами конденсатора (рис. 1), заряженного

до разности потенциалов

U₀=j₂ – j₁,

Электрон приобретает кинетическую энергию

W= = (– ej₁) – (– ej₂)=eU₀

И скорость

v₀ = . (1)

Отношение заряда электрона e к его массе m называется удельным зарядом электрона.

Пусть электрон влетает со скоростью v₀ в область пространства, в кото-

ром имеется однородное электрическое поле, вектор напряжённости которого Eперпендикулярен направлению скорости (рис.1). Напишем уравнение второго закона Ньютона

та= –еЕ(2)

в проекциях на оси координат:

ma_x= –eE_x=0,

ma_y= –eE_y= –eE. (3)

В направлении оси х движение электрона равномерное (а_х=0):

x=v₀t. (4)

В направлении оси y – равноускоренное:

y= . (5)

Подставляя (3) и (4) в уравнение (5), получим, что траектория движения электрона имеет форму параболы:

y= E x² . (6)

Электрон получил скорость v₀, пройдя путь между обкладками конденсатора с разностью потенциалов U₀.

Подставив (1) в (6), получим

y= E x²= x².

Траектория движения электрона не зависит от его заряда и массы. Частицы с любыми зарядами и массами будут двигаться по одним и тем же траекториям. Следовательно, воздействуя на частицу только постоянным электрическим полем, определить величины её заряда и массы не представляется возможным.