physics_saveliev_2 (535939), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Оба отклонения зависят также от ом Частицы с одинаковыми е'/лг н о, получают в каждом из полей одинаковое отклонение и, следовательно, попадают в одну и ту же точку экрана, Отклонение пучка электронов электрическим нли магнитным полем используется в электроннолучевых трубках. Внутри трубки с электрическим отклонением (рис. !24) кроме так называемого электронного прожектора, создающего узкий пучок быстрых электронов (электронный луч), помещаются две пары взаимно перпендикулярных пластин. Подавая напряжение на любую пару пластин, можно вызвать пропорциональное ему смешение электронного луча в направлении, перпендикулярном к данным пластинам.
Экран трубки покрывают флуоресцпрующим составом. Поэтому в месте попадания на экран электронного луча возникает ярко светящееся пятно. Электроннолучевые трубки применяются в осциллографах — приборах, позволяющих наблюдать и фотографировать быстропротекающие процессы, На одну пару отклоняющих пластин подают напряжение, изменяющееся линейно со временем, на другую пару — исследуемое напряжение. Вследствие ничтожной инерционности электронного пучка его отклонение будет без запаздывания следовать за изменениями напряжений на отклоняющих пластинах, причем луч вычертит иа экране осциллографа график зависимости исследуемого напряжения от времени. Многие неэлектрическне величины могут быть с помощью соответствующих устройств (датчикоп) преобразованы в электрические напряжения (или токи).
224 Поэтому с помощью осциллографов исследуют самые различные по природе процессы. Электроннолучевая трубка является неотъемлемой частью телевизионных устройств. В телевидении чаше применяются трубки с магнитным управлением электронным лучом. У таких трубок вместо отклоняющих пластин имеются две расположенные снаружи взаимно перпендикулярные системы катушек, каждая из которых создает перпендикулярное к лучу магнитное поле. Изменяя ток в катушках, вызывают перемещение светового пятна, сбздаваемого лучом на экране. 2 66. Определение заряда и массы электрона Измерение удельного заряда электрона, т. е, отноше- ния е/и, было впервые осуществлено Томсоном в 1897 г. с помощью разрядной трубки, изображенной на рис.!25. Выходящий из отверстия в аноде А электронный пучок (катодные лучи.„см.
$ 89) проходил между пластинами плоского конденсатора и попадал на флуоресци- !г рующий экран, создавая на нем светящееся пятно. 5! Подавая напряжение на пластины конденсатора, можно было воздействовать на пучок однородРис. 125. ным электрическим полем. Трубка помещалась между полюсами электромагнита, с помощью которого можно было создавать на том же участке пути электронов перпендикулярное к электриче- скому однородное магнитное поле (область этого поля обведена на рис. 125 пунктирным кружкам).
При вык-, люченных полях пучок попадал на экран в точке О. Каждое из полей в отдельности вызывало смещение пучка в вертикальном направлении. Величины смешений определяются полученными в предыдущем параграфе выражениями (65.3) и (65А). Включив магнитное поле и измерив вызванное им смещение следа пучка = - — (-1!+ 1,), е 6(1 иь вв 'ь2 (66.1) 226 15 и в сввевьвв, т. !! Томсон включал также электрическое поле и подбирал его величину н направление так, чтобы пучок снова попадал в точку О.
В этом случае электрическое и магнитное поля действовали на электроны пучка одновременно с одинаковыми по величине, но противоположно направленными силами, т. е. выполнялось условие еЕ = еиеВ. (66.2) Решая совместно уравнения (66.1) и (66.2), Томсон вычислял е/гп и ос '). Буш применил для определения удельного заряда электронов метод магнитной фокусировки. Суть этого метода заключается в следующель Предположим, что в однородном магнитном поле вылетает из некоторой точки слегка расходящийся симметричный относительно направления поля пучок электронов, имеющих одинаковую по величине скорость о. Направления, по которым вылетают электроны, образуют с направлением В небольшие углы а.
Как было выяснено в $64, электроны движутся в этом случае по спиральным траекториям, совершая за одинаковое время (см. формулу (64.3)] лг ! Т = 2п —— е В полный оборот и смещаясь вдоль направления поля на расстояние 1, равное 1= о созаТ. (66.3) Вследствие малости углов а расстояния (66.3) для разных электронов будут практически одинаковыми и равными иТ (для малых углов сова = 1). Следовательно, расходящийся пучок сфокусируется в точке, отстоящей от точки вылета электронов на расстоянии лг о 1= иТ = 2п — —.
е В' (66.4) В опыте Вуша электроны, испущенные раскаленным катодом К (рис. !26), ускоряются, проходя разность потенциалов 11, приложенную между катодом и анодом А. ') С равным успехом можно выло измерять отклонение пучка влектрнческим полем и затем компенсировать действие влектриче. ского поля магнитным. В результате оии приобретают скорость о, величина которой может быть найдена из условия э$э~ еУ = —. 2 Вылетев затем из отверстия в аноде, электроны образуют узкий пучок, направленный вдоль оси эвакуированной трубки, вставленной внутрь соленоида.
На входе в соленоид помещается конденсатор, на который подается переменное напряжение. Поле, создаваемое конденсатором, отклоняет электроны пучка от оси прибора на Рис. 12б. небольшие изменяющиеся со временем углы сс. В результате происходит «завихрение» пучка — электроигя начинают двигаться по различным спиральным траекториям. На выходе из соленоида ставится флуоресцирующий экран.
Если подобрать магнитную индукцию В так, чтобы расстояние 1' от конденсатора до экрана удовлетворяло условию 1'=п1 (66.6) (где 1 — шаг спирали, а и — целое число), то точка пересечения траекторий электронов попадет на экран электронный пучок окажется сфокусированным в этой точке и возбудит на экране резкое светящееся пятно. Если условие (66.6) не соблюдается, светящееся пятно на экране будет размытым.
Решая совместно уравнении (66.4), (66.5) и (66.6), можно найти е/и и ш Наиболее точное значение удельного заряда электрона, установленное с учетом результатов, полученных разными методами, равно ~ =1,76 ° 10п к/кг 5,27 ° 1О" СГСЭ/г. (66.7) Величина (66.7) дает отношение заряда электрона к его массе покоя т,. Как вытекает из теории относительности, масса любого тела зависит от его скорости по закону (66.8) В этой формуле т — масса тела, движущегося со скоростью о, с — скорость света в пустоте, а и,— масса тела в том случае, когда оно покоится, называемая м а ссой покоя.
В опытах Томсона скорость электронов составляла примерно О,! с, что приводило к отклонению т от т, на 0,5"тз. В последующих опытах скорость электронов достигала очень больших значений. Во всех случаях было ~ И~~~Е:ББЕЛзм обнаружено уменьшение измеряемых значений е/т с ростом о, происходившее в точном соответствии с фор- ~~"Ч~~" м мул ой (66.8) . Рис.
!27. Заряд электрона был определен с большой точностью Миллнкеном в 1909 г. В закрытое пространство между горизонтально расположенными пластинами конденсатора (рис. 127) Милликен вводил мельчайшие капельки масла. При разбрызгивании капельки электризовались и их можно было устанавливать неподвижно, подбирая величину н знак напряжения на конденсаторе. Равновесие наступало при условии (66.9) здесь Р' — результирующая силы тяжести и архимедовой силы, равная —, яг (р — р,) д, где р — плотность з капельки, т — ее радиус, рз — плотность воздуха. Зная г и Е, можно было найти е'. Для определения радиуса измерялась скорость равномерного падения капельки в отсутствие поля.
Как известно из механики 228 [см. т. 1, формулу (60.2)), эта скорость равна 2 (р — ро) ягз "о = эч Измерив и, и зная р, ре и вязкость воздуха ть можно по формуле (66.10) вычислить г. Движение капельки наблюдалось с помощью микроскопа. Для измерения по определялось время, за которое капелька проходила расстояние между двумя нитями, видимыми в поле зрения микроскопа. Точно зафиксировать равновесие капельки очень трудно.
Поэтому вместо поля, отвечающего условию (66.9), включалось такое поле, под действием которого капелька начинала двигаться с небольшой скоростью вверх. Установившаяся скорость подъема оп определяется из условия, что сила Р' и сила трения бпт)гп в сумме уравновешивают силу е'Е: Р'+ 6пт)гоп = е'Е. Выразив Р' через р, рз н г, подставив значение г из (66.10) и решив уравнение относительно е', получим 2Ч' .г — по+од 1) Следовательно, измерив скорость свободного падения капельки и, и скорость ее подъема пк в известном электрическом поле Е, можно было найти заряд капельки е'. Измерив скорость ок, Милликен вызывал ионизацию воздуха; облучая пространство между пластинами рентгеновскими лучами, Отдельные ионы, прилипая к капелькб, изменяли ее заряд, в результате чего скорость пп изменялась.
Как показали измерения Миллнкена, изменения заряда капельки Ье' и сам заряд е' каждый раз получались целыми кратными одной н той же величине в. Тем самым была экспериментально доказана дискретность электрического заряда, т. е. тот факт, что всякий заряд слагается из элементарных зарядов одинаковой ') В эту формулу Миллвкен вносил поправку, учитывакипу1о, ато размеры капелек были сравнимы с длиной свободного пробега молекул воздуха. 22з величины. Значение элементарного заряда, установлен'ное с учетом измерений Милликена и данных, полученных другими методами, равно в=1,60 10 м к=4,80 10 ' СГСЭ.
(66.11) Такую же величину имеет заряд электрона. Для массы покоя электрона с учетом (66.7) и (66.11) получается значение т« = 0,91 1О кг - 0,91 10 г. (66.12) Таким образом, масса электрона приблизительно в 1840 раз меньше массы самого легкого из атомов— атома водорода (см. т. 1, $ 92). 5 67. Определение удельного заряда положительных монов. Масс-снектрографы Описанные в предыдущем параграфе методы определения е'/т пригодны в том случае, если все частицы в пучке имеют одинаковую скорость. Все образующие пучок электроны разгоцяются одинаковой разностью потенциалов, приложенной между катодом, из которого они вылетают, и анодом; поэтому разброс значений скоростей электронов в пучке очень мал.
Если бы это было не так, электронный пучок давал бы на экране сильно размытое пятно, и измерения были бы невозможны. Положительные ионы образуются за счет ионизацин молекул газа, например, при газовом разряде (см. 9 84), Возникая в разных местах, ионы проходят неодинаковую разность потенциалов, вследствие чего их скорости бывают раздичными. Таким образом, методы, которыми был определен удельный заряд электронов, к ионам неприменимы. В 1907 г. Томсоном был разработан «метод парабол», который позволил обойти отмеченное затруднение. В опыте Томсона тонкий пучок положительных ионов проходил через область, в которой на него одновременно воздействовалн параллельные друг другу электрическое и магнитное поля (рис. 128).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
