4_3 (829315)
Текст из файла
В. В. ПоступаевОпределение удельного заряда электронаметодом магнитной фокусировкиОборудование: осциллографическая трубка, помещенная в соленоид, источник питания соленоида, амперметр, линейка, транспортирЦель работы: изучение характера движения заряженных частиц в однородном магнитном полеи определение удельного заряда электрона методом магнитной фокусировки.ВведениеУдельный заряд электрона e/m представляет интерес для исследователей во всём мире уже более 100 лет. Именно работы 1897 г.
известного английского физика Томсона1 по измерению удельного заряда q/m катодно-лучевых частиц – «корпускул», как он их назвал, по отклонению катодных лучей в электрическом и магнитном полях, считаются открытием электрона (термин «корпускула» не прижился, а ныне существующее название «электрон» ввёл английский физик Дж. Стоней). Хотя следует отметить, что в действительности «открытие» электрона растянулось более чемна полстолетия и не завершилось в 1897 г.; в нем принимало участие множество ученых и изобретателей2.
История работ, приведших к открытию электрона, является наглядным примером того,что для достижения результата важна квалифицированная работа физика-экспериментатора. Действие магнитного поля на катодные лучи было обнаружено многими исследователями, однако вотношении действия электрического поля были расхождения. Томсон показал, что имевшиесярасхождения были обусловлены разной степенью откачки остаточного газа, ионизация которогоприводила к нейтрализации влияния внешнего электрического поля. Трубка Томсона с впаянными1Томсон Джозеф Джон (18.XII.1856–30.VIII.1940) – английский физик, член Лондонского королевскогообщества с 1884 г. (президент в 1916–1920).
В разное время профессор Кембриджского ун-та, директорКавендишской лаборатории, затем директор Тринити-колледжа. Иностранный член АН СССР с 1925 г.,награждён несколькими научными медалями. В 1897 г. измерил e/m и массу электрона (прямое открытиеэлектрона, Нобелевская премия по физике 1906 г.). Гипотеза о внутриатомных электронах (1897). Обнаружение электронов в фототоке и термоэлектронной эмиссии (1899).
Разработал теорию движения электрона вэлектрическом и магнитном полях. Объяснил происхождение сплошного спектра рентгеновских лучей.В 1903 г. предложил модель атома Томсона с вкраплёнными в атом электронами. Ввёл представление освязи различных конфигураций электронов и химическими свойствами атомов (попытка объяснения периодичности свойств химических элементов, 1904 г.).В 1907 г. предложил принцип работы масс-спектрометра.Изучал отклонения ионных пучков в электрическом и магнитном полях («параболы Томсона», 1911).В 1912 г., обнаружив разделение ионов неона с массами 20 и 22, получил первые экспериментальные данные о существовании изотопов.
Вывел выражение для сечения рассеяния света свободными электронами(формула Томсона). Один из основоположников электронной теории металлов (1900).2Интересно, что по формальному хронологическому признаку первооткрывателем электрона следовалобы считать немецкого физика Эмиля Вихерта (1861–1928), который обнародовал свои работы 7.I.1897 г.,т. е. за 3 месяца до первого заявления Томсона о корпускулах.
Вихерт получил почти правильное значениемассы – 1/2000 от массы атома водорода. В момент публикации этих работ Томсон, в отличие от Вихерта,считал, что новая частица обладает большим зарядом, но «нормальной» атомной массой, поскольку полагал,что частиц меньше атома не бывает.
Однако работа Вихерта осталась малоизвестной, автор далее занималсядругими задачами, и первооткрывателем обычно считается Томсон. Вихерт – иностранный членкорреспондент Петербургской АН с 1912 г., в 1897 г. установил существование ядра Земли.277Рис. 1. Катодная трубка Дж. Дж. Томсона для измерения отношения заряда к массе электронапластинами конденсатора стала прообразом современных электронно-лучевых трубок (рис.1). Современи открытия электрона были предложены различные методы измерения удельного зарядаэлектрона. Внимание к этой величине объясняется тем, что электрон является самой «востребованной» частицей, особенно в области атомной физики.
Поэтому величина e/m относится к фундаментальным физическим константам, определяющим общее мировоззрение. В настоящее времяудельный заряд электрона является одной из наиболее точно измеренных физических констант.Движение заряженных частиц в электромагнитном полеНа движущуюся заряженную частицу действуют сила Кулона3 (со стороны электрического поля) и сила Лоренца4 (со стороны магнитного поля). Уравнение движения данной частицы в электромагнитном поле имеет вид5→→ q → → dp= q E+ v × B ,cdt(1)rrr rздесь p , v , q – импульс, скорость и заряд частицы соответственно; с – скорость света; E и B –электрическое и магнитное поля. Рассмотрим простейший случай – движение заряженной частицы(электрона с зарядом e) в однородном магнитном поле.
Считаем, что электрическое поле отсутст-3Кулон Шарль Огюстен (14.VI.1736–23.VIII.1806) – французский физик и военный инженер, член Парижской АН (1803), с 1761 г. на военной службе. Сформулировал в 1781 г. законы трения, качения и скольжения. Установил законы упругого кручения и построил в 1784 г. крутильные весы. В 1785 г. экспериментально установил основной закон электростатики – закон Кулона, в 1788 г. распространил его на взаимодействие точечных магнитных полюсов.
Выдвинул гипотезу о том, что намагниченность связана с поляризацией молекул. Сконструировал магнетометр (1785).4Лоренц Хендрик Антон (18.VII.1853–4.II.1928) – нидерландский физик-теоретик, профессор Лейденского университета. Создал в 1880-1909 гг. классическую электронную теорию, базирующуюся на движениидискретных электрических зарядов (уравнения Лоренца–Максвелла). Вывел формулу, связывающую диэлектрическую проницаемость с плотностью диэлектрика (формула Лоренца–Лоренца), выражение длясилы, действующей на заряд в магнитном поле (сила Лоренца), объяснил зависимость электропроводностивещества от теплопроводности.
Предсказал расщепление спектральных линий в магнитном поле и разделилс экспериментально открывшим это явление П. Зееманом Нобелевскую премию по физике в 1902 г. Независимо выдвинул гипотезу о релятивистском сокращении размеров тел (сокращение Лоренца–Фитцджеральда), ввёл в 1895 г. понятие о локальном времени. Разработал электродинамику движущихся сред.
В 1904 г.вывел релятивистские преобразования Лоренца, тогда же получил зависимость массы электрона от скорости. Иностранный член АН СССР с 1925 г.5Заметим, что иногда в этой и следующих далее формулах вместо B используется H. По-видимому, этообстоятельство связано с тем фактом, что движение частиц в электромагнитном поле можно осуществлять инаблюдать только в тех случаях, когда длина свободного пробега частицы много больше характерныхразмеров системы, т. е. в вакууме для нерелятивистских частиц.
Выражения для силы Лоренца в системеСГС в этом случае будут одинаковыми, но физически правильной является запись, используемая здесь.278rвует ( E = 0) и что вектор начальной скорости частицы произвольным образом ориентированrотносительно вектора B .Разложим вектор начальной скорости на две составляющие – параллельную магнитному полюv|| = v ⋅ cos α и перпендикулярную к нему v⊥ = v ⋅ sin α (рис. 2).В процессе движения величина v⊥ остается постоянной, поскольку сила Лоренца не имеет составляющей вдоль магнитного поля. Сила Лоренца лежит в плоскости, перпендикулярной к магнитному полю, и равна по модулю (при записи в системе СГС)eF = v⊥ B.c(2)Эта сила перпендикулярна к v⊥ , а потому только искривляет траекторию частицы, не меняя величины скорости по модулю (т. е.
полная кинетическая энергия частицы не изменяется). Поскольку в случае однородного магнитного поля сила постоянна по величине, то проекцией траекториичастицы на плоскость, перпендикулярной к магнитному полю, будет окружность. Силу Лоренцаможно в таком случае рассматривать как центростремительную силу:mv⊥2 e= v⊥ B.Rc(3)Отсюда нетрудно найти радиус кривизны траектории или, точнее говоря, радиус окружности R,а также период обращения T и круговую частоту ω:R = mv⊥ c eB ,(4)T = 2π mc eB ,(5)ω=eB.mc(6)Окружность, по которой движется частица под действием поперечного магнитного поля, принято называть ларморовской окружностью, а величину R – ларморовским радиусом6.
Частоту ωназывают циклотронной, или ларморовской частотой, иногда для этой величины используютсяспециальные обозначения ωH либо ωB. Отметим здесь важную особенность формул (4)-(6): циклотронная частота не зависит от энергии нерелятивистской частицы, а ларморовский радиус растётлинейно с импульсом, посчитанным по поперечной компоненте вектора скорости.Сложение равномерного движения вдоль силовой линии поля с равномерным вращением в перпендикулярной плоскости приводит в результате к движению частицы по винтовой линии.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
