三、带电粒子比荷的测定

    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)。下面大家简要先容电子和一般离子比荷的测定方法。

    1. 电子比荷的测定

                 图 11-18

         图11-18是用磁聚焦法测定电子比荷的一种装置的示意图。图中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,并有两个电极引到管外, 若与交变电源相接, 会在两板之间产生交变电场。装在玻璃管左端的是阴极K和中间有一小孔的阳极A,阴极K可通以电流加热而发射电子。将这个装置整个地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。

    由阴极发射的电子被阳极与阴极之间的电势差DU加速后,从阳极中间

的小孔射出,形成很细的电子束。当偏向板未接交变电源时,电子束将射在荧光屏的中心点O。当偏向板与交变电源接通后,不同时间经过偏向板电场的电子将受到不同大小和方向的电场的作用,沿轴线方向将产生不同程度的偏转,因而沿不同的螺旋线运动,荧光屏上将出现一个较大的亮斑。如果调节磁感应强度B的大小,以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mv 2/2 = eDU,由此可以求得电子的运动速率为

                         ,

螺距h等于l,即

                         .

从以上两式消去v ,即可求得电子的比荷,为

                           .                   (11-52)

将测得的DUBl代入上式,就可算出电子的比荷。当电子的速率远小于光速时,其比荷的绝对值为

                      e / m = 1.759 ´ 1011  C×kg-1 .

当电子的运动速率接近光速时,根据相对论规律,电子质量将增大,其比荷的绝对值将明显减小。

    2. 离子比荷的测定

图 11-19
图11-20

         测定离子比荷的仪器称为质谱仪,图11-19是一种质谱仪的原理图。离子被狭缝S1和S2之间的电场加速后进入速度选择器P。速度选择器是由两块平行金属板组成的,与平行板电容器相似(见图11-20)。两板之间施加电势差,因而产生电场E,方向为从右至左。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。带正电q的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 ,

解得离子的速率为

                          .

离子从狭缝S0射出后进入另一真空磁场,其磁感应强度为B2,方向如图11-19所示。离子在该磁场的作用下将作圆周运动,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。将上式整理后得

                           ,

将离子的速率表达式代入上式,得

                          .                   (11-53)

离子在磁场中运行半周后落在照相底片AA¢上,由底片记录下来的离子的位置可以测出半径R,连同已知的EB1B2一起代入式(11-53),即可得出离子的比荷。

    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。根据谱线的条数可以确定同位素的种数;根据各条谱线的位置可以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。

       
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