Chuyển động của hạt mang điện trong điện từ trường và phép đo điện tích riêng của electron

Trang 1

1l 244

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRUONG DAI HOC SU PHAM KHOA VAT LY

LUAN VAN TOT NGHIEP

DE TÀI:

CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT MANG ĐIỆN TRONG ĐIỆN TỪ TRƯỜNG VÀ PHÉP ĐO

ĐIỆN TÍCH RIÊNG CỦA ELECTRON

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : PHAM VAN DONG

SINH VIÊN THỰC HIÊN : NGUYỄN THỊ THU TRANG

NIÊN KHĨA : J995 - ¡999

Trang 2

———

LỜI CẢM ƠN

l'm xin chân thành cảm dn !

Ban giám hiệu trường và ban chủ

nhiệm khoa vật lý đã cho phép và tạo điểu kiện để em thực hiện luận van

Thay Phạm Văn Đổng da tin tinh hướng dẫn và giúp để em trong thời gian làm luận vẫn

Trang 3

MỤC LỤC

PHAN A : Lý thuyết về chuyển động của hạt mang điện trong điện

trường và trongtừ trường

CHƯƠNG l : Phương trình chuyển động của hạt mang điện trong điện trường và từ trường 1: Chuyển động của hạt mang điện trong điện trường đều và từ trường đều 2 : Sự lệch của hạt mang điện trong điện trường đều và từ trường đều CHƯƠNG 2: Ứng dụng của chùm tỉa electron !: Thấu kính electron 2 : Dao động ký điện tử 3 : Kính hiển vi điện tử

CHƯƠNG 3: Xác định điện tích riêng của những hạt mang điện

| : Xác định điện tích riêng của tia âm cực

2 : Xác định điện tích riêng của ion

PHAN B: Tién hành thí nghiệm và ghi nhận kết qủa

Trang 4

(GVHD : PHAM VAN DONG

PHAN A: SỐ

LÝ THUYẾT VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA

Trang 5

GVHD : PHAM VAN DONG |

CHUONG 1: | SỐ

PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT MANG ĐIỆN TRONG ĐIỆN TRƯỜNG & TỪ

TRƯỜNG ĐỀU

Trang 6

GVHD : PHAM VĂN ĐỒNG |

lui mốt hat mang diện, cĩ điện tích c, chuyển đơng trong khơng gian, đ đĩ cĩ cả điện trứng và từ trường thì nĩ chu tác dụng của cả điện trểư*ng và từ trường (lực điện và lực tif) diffe xAc dinh bon cong thife: ¿ +(ý8)| Cơng thức này được gọi là cơng thức l.orent/ ƒ=e Theo dịnh luật thứ hai của Newlon, phương trình chuyển đơng của hạt cĩ dang : d ‘s * , * m—— =eE + dv 0) dt mm: khối lướng của hạt v; vẫn tốc của hạt

Chúng ta sẽ dựa vào phương trình trên để xét chuyển đơng của hạt mang điện trong mơi

sử trưởng hựp đơn giản và ứng dụng của nĩ trong khoa học kỹ thuật

1, Chuyển động của hạt mạng điện trong từ trường đều

Ciiả sử hạt cĩ vận tốc ban đầu v, đi vàu từ trường đều cú cảm ứng từ là + i + | + ` “ * Pas ` ` # / 2 to * Wes —= o * *

Để đưn giắn ta xét trường hợp vận tốc v vuơng gúc với từ trường B

'Fa nhận thấy rằng lực 1.orentz luơn vuơng gĩc với v„ điểu đĩ cĩ nghĩa là cơng của lực này

luân bằng khơng Vì thế độ lđn của vận tốc v là khơng đổi trong qúa trình chuyển đơng

[.ực 1urentz khơng đổi và cĩ giá trị :

f=c.v.B

Life nay vuơng gĩc với phương chuyển đơng nên đĩng vai trị chủ lực hướng tâm, Dưới tác dụng của lực đĩ, hạt chuyển động đếu theo một đường trịn, lián kính r của qũy đạo trịn

Trang 7

GVHD : PHAM VAN DONG |

mì

in kính r của gũy đạo trịn phụ thuộc vào vận tốc v của hạt mang điện, vào độ lớn cắm

` -* € + * ‘- ` ‘*

ứng từ l3 và vào tỷ số = gọi là điện tích riêng của hạt mang điện

Đặc điểm của chuyển động này là chủ kỳ chuyển đơng của hạt khơng phú thuộc vào vận

tốc của hạt, Thật vậy chu kỳ TT cĩ giá trị là : 2.24.1 V T = Thay gid ov vao bi€u thife én ta ed 2t T>—B S m Tấn s.' gĩc của w của hại cĩ giá trị : 2.m c w= — = —,B l m

và được gọi là tắn số xyclotrơn 41 tẩy ch ! kỳ T và tần số gĩc w chỉ phụ thuộc vào :

* hen tich riéng =

m

se Cm ứng từ B

Hình #đi là gũy đạo cuả hai hạt giống nhau cĩ vận tốc vị, vụ khác nhau Nếu hai hạt

cũng : äất phá: từ một điểm 0, thì sau khi chuyển động một vịng với cùng một khoảng

Trang 8

GVHD : PHAM VAN BONG | Xét trưởng hợp tổng quát khi vận tốc v hợp với cảm ứng tif B mot goe @ nào đĩ ( si - -* * + * * ‘ ` a ¢ } Vectd vận tĩc v được phân tích thành hai vectd thành phần -® -* viBo vy, = v.sina v//B=v, = vcosơ

VỊ lực Lurentz luơn vuơng gĩc với từ trường nên khơng cĩ thành phần của lực dọc theo hướng của từ trường do đĩ thành phẩn vẫn tốc của hạt theo hướng này vụ, khơng bị ảnh

hưng bởi lực Lực chỉ tác dụng lâm thành phần vận tốc của hạt vuơng gĩc với !ừ trường

( v ) và như đã xét ở trên, nĩ khiến cho hạt chuyển dong theo đường trịn nằm trong mặt

phẩng vuơng gĩc với B Do đĩ, chuyển động của hạt là tổng hợp của hai chuyển động :

+

* Chuyén dong tron déu trong mắt phẳng vuơng gĩc với B, với vận tốc đài bằng v, với

bán kính, chủ kỳ, qũy đạo, tấn số gĩc được xác định theo các cơng thức trên, chỉ cẩn thay trong dé cdc gid tri v = v.sina

* Chuyén dong đều theo quán tính, với vận tốc v = v.cosø dọc theo phương của B

Vì thế qũy đạo của hạt là một đường xoắn ốc hình trụ, cĩ trục trùng với phương của cảm ứng từ B ®đŒ——Ì —> 4 l Wiis oF lộc \ “ư è Y ‘ ` \ Ƒ ý ` Ý 1 ‘ NV jig TT oT } 4 f ' ’ ` 7 : ` Đz Ly re ` ¬— Bước của đường xoắn ốc là : 2.z.v.cosứ l=v,.T * oor ee =E m

I Su léch ctia hat mang điện trong điện trường và từ trường

I_ Xét một chùm hạt mang điện tích chuyển động theo truc Ox với vận tốc ban đầu vụ, di

qua hai bin của một tụ điện phẳng Nếu giữa hai bản của tụ điện chưa cĩ điện trường,

hạt mang điện sẽ chuyển động thẳng đều và đập vào màn chấn ở điểm A

Trang 9

GVHID : PHAM VĂN ĐỒNG |

Đặt vào giữa hai bản tụ một điện trường và để đơn giản giả thiết rằng khoảng cách giữa

1d bản là nhỏ số với kích thước của chúng, để cho điện trường giữa hai bắn cĩ thé coi là đếu Đật trục tọa độ OYy tho phương của điện trường ta cú : E,=E,=U E,=E Củn từ trường bing khéng: B, = B, = B, = 0 Chiyén dong cia hạt ở giữa hai bản của tụ điện là : _® dv -* m dt e.E Cĩ thể phân tích thành các thành phần sau : đ, mo đo 9, _ eE di ` đt " dt m Tích phân các phương trình này chú ý rằng vận tốc ban đầu v, hướng theo trục Oy, ta cĩ : cE W- “Và cv "Uy m

Kết qủa là hạt tham gia hai chuyển động đồng thời :

s* Chuyển động đều theo quán tính với vận tốc v, doe theo Ox

+ Chuyển động nhanh dẫn đều theo trục Oy dưới tác dụng của lực f = e.E khơng đổi

Chuyển động tổng hợp của hạt cĩ qũy đạo là một parahol ( giống như trường hợp của

một vật ném theo phương nằm ngàng trong trong trường )

Trang 10

GVIHD : PHAM VĂN ĐỒNG |

Chuyển động của hạt trong điện trường xây ra trong khoảng thời gian :

I & i Vụ

|, : chiểu đài của bản tụ điện theo phương Ox

Sau khỏang thời gian đĩ, hạt bị lệch theo phương của trục Oy một khoảng : aE | e, 2 mv | y= Sat = Kiu hạt bất đầu ra kỏi tụ điện, vận tốc theo phương Oy của hạt là : eE mov Bắt đấu từ đĩ, hạt chuyển đơng đều theo phương của vận tốc tổng hợp, lập với phương Ox trơi mĩc ứ,, xác định bởi : % = at, = Vạ m vị

Nếu khoảng cách từ tụ điện đến màn chắn là I,, thì sau khi ra khỏi tụ điện, hạt bị lệch theo trục Oy mội khoảng y;:

hay :

l

y = tga 2h +I,

Kết qủa này cho thấy, sau khi rời khỏi bẳn tụ điện, hạt chuyển động thẳng, giống như nĩ

đã xuất phát từ giữa tụ điện, mà phương chuyển động lập với trục Ox một gĩc

Trang 11

GVHD : PHAM VĂN DONG

sử huI cĩ vận tốc vụ theo trục ƠOx, và từ trường tắc đụng trong khoảng cĩ chiều dai | Vectư cảm ứng từ l3 vuơng gĩc với vận tốc vụ Lực Lorentxơ tác đụng lên hạt cĩ giá trị

[ = e.v,.B [.ực này gây cho hat một gia tốc :

I c

n= — = —.yv,.B m m

Nét Irường hợp su léch eda bạt là nhỏ, nghĩa là cĩ thể coi lực f và gia tốc a khơng đổi

và luơn vuơng gĩc với trục Ox Bằng cách lý luận hồn tồn tương tự như trong trường hợp điện trường, ta cĩ độ lệch của hạt trong từ trường là : e | y*" = pi{ou, 4 1} Giác lệch của chùm hạt so với phương bạn đầu là : € \ Ka =0 mi |

Kết qủa cho thấy sự lệch của chùm hat nếu là nhỏ thì sau khi ra khỏi từ trường, hạt sẽ

chuyển động như là nĩ xuất phát từ tẫm của vùng cĩ từ trường

* Ta nhận thấy rằng sự lệch của những chùm hạt mang điện trong điện trường và từ

trưởng tỷ lệ với điện tích riêng = của hạt, tỷ lệ với cường độ điện trường ( E hặc B )

và phụ thuộc vào vận tốc v„ của hạt

Trang 13

'GVIID : PHAM VĂN ĐỒNG |

I iukinh electro

rong kỹ wat hién« i, chim tia electron dude ứap dựng rất nhiều Muốn sử dụng chùm ta đĩ, !£ đitapi (c những chùm phát clectron mạnh, đồng thời phải cĩ biện pháp tạo nến nÌ nm, “hèm + — tính chất cẩn thiết vẻ hình dạng, cường độ, độ hội tụ Những

digu de co thé thue - *n được bằng cách ứng dụng sự lệch của chùm tia trong điện trứng +1 '*ường, Trong điện trường và từ trường ck-:ctron clú lực tác dụng của lực

ận và lực từ, nên nĩi chung chùm tia khơng truyền th.ng mà chúng cĩ thể bị khúc xạ lv phần xa V t và Ba We ch | ’ it \ , ? j ' , 4 | * es | f 4 Ỷ 4 5 4 Ầ i; age le 4 | h Gs —— iL: dễ we - AH Rm ; Pr ~ - - t ` = 2

Ta lãy xét một chùm ia electron liuyển đơng theo một phương nào đĩ và đi vào một

điện trường đều cäa một tu điện p:ắng ( xuyên qua bản dương của tụ điện ) như trên hình

a Khi đĩ điện trường cĩ tác dụng hẳm chuyển động của electron Thanh phẩn vận tốc

pháp tuyến v„ của ciectron, vuơng gĩc với các mặt đẳng thế, cĩ giá trị giảm dẫn Thành phan vận tốc tiếp tuyến vụ, song song với mặt đẳng thế, khơng thay đổi Nếu điện trường đủ mạnh, tì đến một điểm B nào đĩ, thành phân vụ triệt tiêu và sau đĩ đổi

hướng Kết qủa là electron sẽ chuyển động theo đường cong ABC và ra ngồi điện trường ( điểu n? y cĩ thể thực hiện được nếu bản của tụ điện là một lưới kim loại hay một lá kim loại cự: mỏng cĩ thể cho chùm electron truyền qua ) Vì độ biến thiên của đện thế từ A đến B + từ B đến C là bằng nhau nhưng ngược hướng nên chùm electron ra khỏi điện trường ¡p với bản tụ điện một gĩc bằng gĩc của chùm tỉa tới Ở đây cĩ sự phản xạ của chùm electron và định luật phần xạ cũng giống như trong quang học { hình b ) : chom tia t ; vi tia phan xạ nằm trong cũng một mặt phẳng với pháp tuyến của mặt dẳng

thế, gĩc !‹ ¡ bằng gĩc phản xa

Nếu điệ', trường khơng đủ mạnh để làm cho vận tốc vụ triết tiêu, chùm tỉa clectron sẽ bay ra khỏi bản kia của tụ điện dưới gĩc khác số với gĩc tới, Hướng của chim tia bi thay đổi Ta nĩi rằng clectron đã bị khúc xạ Gĩc khúc xạ lớn hơn gĩc tới nếu electron chuyển

Trang 14

GVHD : PHẠM VĂN ĐỒNG Ì

động tữ nơi cĩ điện thế c cao đến nơi cĩ điện thể thấp ( vì điện trường cĩ tác dụng hãm

clectron ) Như hình a sau đây : —*, VỊ vị Ve

Tia clectron bị khúc xạ giống như một tia sáng truyền từ mơi trường cĩ chiết suất n, lớn sang mơi trường cĩ chiết suất n, nhỏ

Nếu electron chuyển động từ nơi cĩ điện thế thấp đến nơi cĩ điện thế cao, gĩc khúc xạ r

nhỏ hơn gĩc tới l{ hình b ) giống như trường hợp khúc xạ của tia sáng khi n, > n,

Từ đĩ ta thấy rằng sự biến đổi điện thế trong khơng gian làm ảnh hưởng đến sự truyền

của chùm electron Bằng cách bố trí những điện trường thích hợp, ta cĩ thể tạo nên những hệ thống cĩ khả năng làm thay đổi sư tuyển của chùm tia electron, giống như những hệ thống quang học làm thay đổi sự truyền của tia sáng Ta cũng cĩ thể làm tương

tự nhờ bổ trí những từ trường thích hợp Việc nghiên cứu và ứng dụng những hiện tượng

này được xét trong phẩn riêng của vật lý là phần quang học electron Trên cơ sở sự phản xa, khúc xạ của tia elecưon, ta cĩ thể tạo nên những thấu kính clectron, cĩ tác dụng

phân kỳ hay hội tụ chùm tỉa sáng

Trong thấu kính điện, sự lệch của những electron được thực hiện nhờ điện trường gây bởi hệ thống điện cực, cĩ hình dạng và điện thế thích hợp Hình vẽ sau cho ta một sơ đỗ của thấu kính đơn giản : gồm điện cực D,, D, cĩ cùng một điện thế, ở giữa chúng là điện cực D;, Nếu điện thế D,, D, cĩ điện thế dương so với D,, thấu kính cĩ tác dụng hội tụ chùm electron Chùm electron xuất phát từ P, sau khí đi qua thấu kính sẽ hội tụ lại ở P,

Trang 15

[ So GVHD : PHAM VAN DONG |

Trong những thấu kính từ, su léch chin electron được gây bởi từ trường của những ống

đây cĩ hình dạng nhất định Chhúng ta biết đến sự hội tu của electron trong từ trường của

xơlênơit Những electron xuất phát từ cùng một điểm của nguồn hội tụ tại cùng một điểm ở cách nguồn một bước xoắn của qũy đạo, tạo nên ảnh của điểm đĩ Hình dưới đây cho ta ảnh của nguồn qua một thấu kính từ tạo bởi mơt từ trường của một xơlênưi Trong thực tế ta cĩ thể tạo nên thấu kinh từ bằng một vịng đây cĩ dịng điện chạy qua

lắc để tăng cường khả năng hội tụ, ta cĩ thể đùng cuộn dây nhiều vịng và cĩ lõi sắt tihtf hình sau :

Hình này cho ta mặt cắt của một thấu kính từ thơng dụng

Chùm tia electron và những thấu kính được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật Ở đây ta xét

hai trường hợp ứng dụng quan trọng là đao động ký điện tử và kính hiển vi điện tử

HH: Dao động ký điện tử

Dao động ký điện tử là một dụng cụ phổ biến trong việc nghiên cứu vật lý Nĩ giúp ta

quan sát những biến đổi nhanh Bộ phận cơ bản của nĩ là ống phĩng tỉa electron Ống phĩng là một bình thủy tỉnh đã hút chãn khơng Nguồn electron là một catốt đốt nĩng K,

phát xa nhiệt electron Nhữ một hệ thống điện cực tăng tốc và thấu kính electron, chùm

electron hội tụ thành một tia mảnh và đập vào màn huỳnh quang E, tạo thành một chấm

sáng Giữa nguồn electron và màn huỳnh quang cĩ đặt hai cặp bản tụ điện c, và c; cĩ tác dụng làm lệch chùm tia theo hai phương vuơng gĩc với nhau

A |

5 \ ae baa

C, L

Ở một cập bản tụ điện, thí dụ e, người ta đật một điện thế biển thiên theo thời gian, theo

tniột quy luật biểu điển trên hình sau :

Trang 16

GVHD : PHAM VĂN ĐỒNG |

Điện thể hình rằng gọi là điện thế quét hay điện thế khai triển Điện thế khai triển làm

cho tia eleetron trên màn huỳnh quang chuyển đơng đều theo phương nằm ngang Trên

cập bản tu điện cịn lại ( cập e, ), ta đặt điện thế cẩn nghiên cửu Dưới tác dụng đồng

thời của điện trường hai tụ điên, vệt sáng trên màn vẽ nên một đường cong, biểu diễn sự biến thiên của điện thế cần nghiên cứu theo thời gian

Trong mơi số dào đơng ký, sự lệch của ta elctron được gây bởi từ trường Khi đĩ những tu điện được thay bằng những cuộn đây, đặt bên ngồi ống phĩng và ở sát đĩ

Vì khối lượng electron rất nhỏ, nên quán tính của electron cũng nhỏ Nhờ thế mà dao

đơng ký điện tử cĩ thể dùng để khảo sit những qúa trình biến đổi rất nhanh Đỏ là một tu điểm lân của đao động ký điện tử Ơng phĩng tỉa electron cịn được ứng dụng nhiễu

tronp kỹ thuật rada và vơ tuyến truyền hình

Trang 17

Kinh hiển vị điện tử là một đụng cụ, trong đĩ người ta ứng dụng khả nãng hội tụ chùm la clectron của những thấu kính từ Một chùm elecưon phát ra từ một catốt đốt nĩng, được

hội tụ và rọi qua vật cần quan sắt, Những vật khác nhau của vật ngăn cần chùm elecltron

nhiều hay ít tùy theo tính chất của từng vật Nhờ một hệ thấu kính từ, tạ thu được ảnh phĩng đại của vật Ảnh này cĩ thể hiện trên màn huỳnh: quang hoặc được chụp vào phim

hay kính ảnh Hình trên là sơ đỗ kính liển vị điện tử dùng thấu kính từ và kính hiển vi quang học cĩ bộ phận chụp ảnh, để tiện su sánh những phân của kính hiển vị điện tử ký

luệu bằng chữ lớn A, B, € những phần tưng ứng của kính quang học ký hiệu bằng chữ

, h, © Trong kính hiển vi điện tử A là nguồn electron, B là thấu kính từ hội tụ tỉa

electron

và rụi tia này qua vật C, Ð và vật kính E là vật trung gian của vật, E là thấu kính hội tụ

cho ta ảnh cuối cùng G của vật trên màn huỳnh quang ( hay kính ảnh ) H Tồn hộ hệ

thống được đặt trong một ống, được hút chân khơng, sao cho quãng đường tự do trung

bình của electron lận hơn nhiều so với khoảng cách từ nguồn electron đến màn H

Trong kính hiển vì quang học, a là nguồn sắng, b là kính tụ quang, e là vật cần quan sắt,

d là vật kín, e là ảnh trung gian, f là thấu kính tụ cho ta ảnh cuối cùng của vật trên kính

ảnh h Những kính hiển ví điện tử hiện đại cĩ độ phĩng đại hàng trăm ngàn lấn hay |Win

hơn Đơ phĩng đại của kính hiển ví quang học tốt nhất cũng chỉ vào khoảng vài ngàn lẳn Do đĩ kính hiển vì điện tử giúp tà nghiên cứu những vật mà kính lúển vỉ quang học

khơng giúp ta quan sát được: Độ phĩng đại của kính hiển vị điện tử lớn là do bước sĩng

của eleetron rất nhỏ so với bước sĩng ánh sáng dùng trong kính hiển vi quang học

Kính hiển vi điện tử là một cơng cụ rất quan trọng của vật lý và khoa học hiện đại

Trang 18

GVHD ; PHAM VAN DONG

CHUONG3: - |

Trang 19

GVHD : PHAM VAN DONG |

a - —=———

Việc xác định điện tích œ và khối lượng m của hat mang điện ( clcctron, tịn ) cĩ ý nghĩa

qian trong trong việc nghiên cứu những hiện tướng điện, trong việc xác định bản chất của

những hạt đĩ, trong vật lý nguyên tử và trong nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác Tỷ số của hạt goi là điện tích riêng của chúng, cĩ ý nghĩa quan trọng và cần được xác định m

mơi cách chính xác, Cĩ nhiều phương nhát; để xác định điện tích riêng đây chúng ta xét những phương pháp trong đĩ ứng dụng sự lệch của hạt mang điện trong điện trưng và

iat tradeing

I Niue dinh dién tích riên

| Việc xác định điện tích riêng của tia âm cức được 1, Thomson thực hiện từ năm 1897,

bằng cách xác định sư lệch của tia âm cực trong điện trường và từ trường vuơng gúc với

tlteu, và vuơng gĩc với hướng của chùm Lỉa âm cực

Tia âm cực được tạo ra trong ống phĩng điện, phát ra từ catốt đi qua khe hở anốt A, được

thu hep lai Tia Am cực đi vào giữa hai ban tu điện C, Một nam châm điện gây nên một từ trường theo phương ngang của ống phĩng tác dụng lên chùm túa trong phạm vì tác dụng

của điện trường Độ lệch của chùm tủa âm cực gây ra trên màn huỳnh quang M ở cuối

ống Nếu khơng cĩ cả điện trường và từ trường thì tia âm cực sẽ đi thẳng và ở giữa màn huỳnh quang ở điểm O

Nếu ta cho điện trường tác dụng ở hai bản tụ điện, chùm tia bị lệch về phía bản dương,

chứng tỏ chùm tia mang điện âm Từ trường cũng gây sư lệch cho chùm tủa, theo phương của sự lệch do điện trường gây ra

'Trước hết cần xác định vận tốc của những hạt trong tia âm cực Muốn thế Thomson cho cả điên trường và từ trường đồng thời tác dung lên chuyển động của tia, và chọn giá trị của điện trường lý và cảm ứng từ l3 sao cho tác dung của hai trường khử nhau, nghĩa là tỉa âm

cực vẫn đập vào điểm giữa O của màn huỳnh quang Từ đĩ cĩ thể tính được vận tốc của

tỉa âm cực Thật vậy, điện trường tác dụng lên mỗi hạt của tia âm cực một lực bằng c.1, từ

trường tác dụng lực bằng c.v, Vì chùm tỉa khơng bị lệch nên hai lực này bằng nhau và

Trang 20

_ S GVHD: PHAM VAN DONG |

Bay giờ chỉ cẩn cho tác dụng riêng biệt hoặc điện trường lý, hoặc từ trường B va quan sat ˆ + * , + * “ € xứ lệch của chùm tỉa, cĩ thể xác định được tỷ số —- theo cơng thức : m Cc tga = — 1 tì Về e twa ga = —1,B att lầng phương pháp này Thomson đã xác định được tỷ sổ — và xác định được bẳn chất của tì

tia im cức chỉnh là chùm clectron chuyển đồng

2 Ngồi phương pháp trên, goi là phương nhấp điện trường và từ trường bất chéo, cịn phướng pháp gĩi là phương pháp hội tụ hằng từ trường Phương pháp này dùng dé do điện

tích riêng của electron phát xa nhiệt từ một catốt nĩng, Sơ để thí nghiệm được vẽ như hình Si 2 — 5% A- =2“ è \ ¥ ^ P

I:lectron được phát ra từ catốt K và tăng tốc nhờ một điện trường đặt giữa catốt K và anốt A Sau khi đi qua anốt cĩ một lỗ ở giữa, chùm clectron gặp màn chắn E, cĩ một khe vịng

trịn cĩ tâm trùng với trục của chùm tia Mân này chỉ cho những electron nào chuyển động theo đường sinh của một hình nĩn cĩ gĩc mở 2ø đi qua

Sau khi gua man E:, electron đi vào mơi khoảng khơng gian khơng cĩ điện trường Thiết bj trên đây được đặt trong một ống đã hút chân khơng lổng hên trong một ống dây trong đĩ

cĩ mỘt từ trường đều B đã biết, Khi đĩ, các electron chuyển động theo những đường

xoắn, Nhữag electron gua man Ei, tạo thành với trục cùng một gĩc#œ sé lai gap trục của

ống tài những điểm cách nhau một khoảng bằng số nguyên lắn bước xoấn Ở những điểm gănp nhau đĩ, tiết diện của chùm ta là nhỏ nhất, ta nĩi rằng nĩ bị hội tụ Nếu thay đổi giá

trị của từ trường do xolÊnơit tạo ra sẽ cĩ những lúc vét sang do chim electron tạo ra trên

Trang 21

(GVHD : PHAM VAN DONG |

màn |: cĩ dién tich nho nhat (fe man anh chỉ cĩ mét cham sang ) Khi đĩ khoảng cách d

từ anốt đến màn huỳnh quang E cé gid tri hằng mội số nguyên lắn bước xoắn :

d=n.l (8 =1 wvà

Với n= l, ta cĩ mặt cất doc của chùm tỉa như hình a Với mì = 2, mặt cất doc chùm tia như hình h

Thay biểu thức trên vào giá trị của Ì ta cĩ : 2.#vVvcosơữ d=n.Ì s ——————.t e .B m Vận tốc v của electron cĩ thể xac định được từ điện thế tăng tốc U đặt giữa catốt K và qunốt A, ta cĩ : mv =2U l2 | — [Do đĩ ta cĩ thể tính được điện tích riêng của clcctron : © 8z Ì`n`.Ucosư m dp Trong đĩ Ú và B 1a pid tr dién thé tang tc va cim ứng từ khi xảy ra sự hội tu của chùm tia Qua nhiều thí nghiệm, người ta đã xác định giá trị của điện tích riêng của elecưon : ~ =ø01796,10 —= m kg

Tuy nhiên giá trị xác định trên chỉ đúng cho những electron chuyển động châm so với vận tốc ánh sáng Khi vận tốc electron khá lớn ta thấy = giảm đi, đĩ là vì khối lượng của nĩ

đã tăng theo vận tốc Theo thuyết tương đối, nếu vận tốc của hạt là v, thì khối lượng của

nĩ phu thuộc vào vận tốc theo định luật : Mo vì l- " * c m=

Trong đĩ mụ là khúi lượng tĩnh của hạt, c là vận tốc ánh sáng Giá trị xác định theo cơng thức trên chính là khối lượng riêng ứng với m,

Trong thí nghiệm của Thomson thì vận tốc của electron khá nhỏ, chỉ vào khoảng 0,1 ¢,

nên giá trị m chỉ sai khác với m„ khoảng 0,5% Trong thí nghiêm với catốt đốt nĩng, vận

* * + r * ” e ‘

tốc của electron cĩ thể lớn hơn nhiều, Trong mọi trường hợp ta đều thấy tỷ sổ m Eiãm khi

Trang 22

GVHD : PHAM VAN DONG |

H Xác định điện tích riêng củu ion

IIu6fne nhấp vừa xét để xác định điện tích riêng của clectron, cũng cĩ thể xác định điện lich riêng của các ion, Nhưng chúng chỉ được ứng dung khi các hạt cĩ cùng vận tốc, hoặc cú vận tốc gẩn bằng nhau, Nếu điểu kiên này khơng thốn mãn, thì chùm hạt sẽ tạo thành trén màn huỳnh quang mốt vết sáng nhịc rơng, làm cho phép đo khơng thực hiện được

Điển này xảy ra khi đo đạc các lon vì thơng thường ion được tao nên do qúa trình tọn húii

chất khí, [x› chủng xuất hiện ở những khu vực khác nhau, cĩ điện thế khác nhau, nên

(những ion cĩ vận tốc rất khác nhau Để cĩ thể xác định được điện tích của những ion trì

phải dùng phương pháp khác

Nam 1907 Thomson đã để ra phương pháp Parahol để giải quyết vấn để này, Trong thí

nipliểrn của Tomxơn, chùm ion bay qua mội khu vực cĩ tác dụng của cả điện trường l; và

t tường song sung với nhau, trên một đoạn dường Í,, sau đĩ chuyển đơng tự do một khoảng L,, Điện trường và từ trường là đểu và vuơng gĩc với phương của chùm ion, Giả xử Lừ trường và điên trường hướng theo truc Ox và chim tia chạy dọc theo trục Oz ( nếu hat a ton đượng } sốt khoảng : 61, [1 Seah th) 'Từ trường làm hat lệch theo truc Oy một khoảng : y= BG oh) trong đĩ v là vận tốc của hạt

Các biểu thức vừa thiết lập là tọa độ trên mặt phẳng vuơng gĩc với trục Oz của những hạt

cĩ ~ và v xác định, Những hạt cĩ điện tích riêng = nhưng cĩ vận tốc v khác nhau đập

vào mãt đĩ đ những điểm khác nhau Rút các giá trị của v từ các biểu thức trên, ta cĩ

phương trình cong mà dọc theo đĩ các ion cĩ cùng giá trị = đập vào là :

E

t= i

"mm đĩ là phương trình của đường Parabol

Nếu ta đặt mốt kính ảnh, bị đen khi cĩ hạt đập vào, ở mặt phẳng vừa nĩi, thì trên kính trì œ|13 , ` * 4 ` € , a Ä , " cĩ vết của những hat đĩ Những lon cĩ cùng — nhưng cĩ vận tốc v khác nhau sẽ cĩ vét m e

trên kính ảnh dọc theo mơi đường Parabol Những loa cĩ Tý khác nhau nằm trên những

IParahol khác nhau Biết các thơng số của thí nghiệm ( Í, l„, B, E) ta cĩ thể xác định

Trang 23

GVHI): PHAM VĂN ĐỒNG |

đước = theo những vết trên kính ảnh Chính qua thí nghiệm này Thomn đã phát hiện ra

m

được rằng Ncon cĩ hai đồng vị Ne”" và Ne”

PPhafd#np pháp tướng tự như trên đã được hồn thiên hơn để tạo nên đụng cu gọi là khối phổ

ký Sự đổ khối phổ ký được vẽ như sau :

z

Những ton được phĩng qua những khe hẹp, thành một chùm mảnh, lần lượt đi qua một điện trường và từ trường, được bổ trí sao cho chúng gây sự lệch của hạt về hai hướng

ngược nhau, Khi qua điện trường, hạt cĩ cùng ` càng lệch nhiều nếu vận tốc càng nhỏ

Eo đĩ khi ra khỏi điện trường, ion tạo thành chùm tia phân kỳ Khi vào từ trường, qũy đạo

của ion càng cong nhiều nếu vận tốc ion càng nhỏ, Kết qủa là sau khi ra khỏi từ trường,

ion cùng loại hội tụ tại những khác nhau, Nếu trên khu vực hội tụ của những ion, ta đặt

mơi kính ảnh thì ta sẽ được những vạch ứng với những ion cĩ ^ khác nhau

Nhữ khối nhổ ký, người ta cĩ thể xác định một cách chính xác điện tích riêng của ion Đĩ

Trang 24

GVHD: PHAM VĂN ĐỒNG: `

PHẦN B

TIEN HANH THÍ NGHIỆM VA GHI

NHAN KET QUA

Trang 26

[ — ——————— ee

GVHI): PHAM VĂN ĐỒNG |

I, Lý thuyết

Dong định luật Biol - Savarl ta cĩ thể tính được cảm ứng từ trường B tại khoảng cách S

trên tre của một cuơn đây trịn, phẳng, det :

Mw WTR?

2(R' + 6)"

II : số vịng của cuộn dây

Ro: bán kính cuộn dây

l; dịng điện chạy trong cuộn dây

;„ : độ từ thẩm của chân khơng

Cường độ từ trường dọc theo một trực của một vịng đây hẹp

Nếu hai cuộn dây như nhau, nổi tiếp với nhau, được đặt song song và đồng truc ( cặp cuộn

đây Helmholtz ) thì các từ trường sẽ cộng lại với nhau, Gọi khoảng cách giữa hai cuộn day

là a thì cảm ứng từ l tại khoảng cách S trên trục tính từ điểm chính giữa hai cuộn dây là :

7 7

My LR? I 3 I

7 2

[e-3] feb 3]

Từ cơng thức trên ta cĩ thể thấy cảm ng từ giữa hai cuộn dây hấu như khơng đổi ( đều ) khi a = R và từ trường đều trải dài trên khắp miễn :

-R

—<ŸŠ<— 2 2

H, Mơ tả dụng cụ

Trong thí nghiệm này ta sử dụng mội số dụng cụ sau đây :

Trang 27

GVHD; PHAM VĂN ĐỒNG |

là hai cuộn dây trịn giống hệt nhau, đồng thời cĩ tâm là O, và O,, cùng bán kính R, l3ịng điện chạy trong hai cuộn dây là cùng chiểu và cĩ cùng cường độ I Từ trường tổng

cơng HH tại điểm M của trục là tổng từ trường sinh ra tại mỗi cuộn dây và tính theo cơng thức ;

LR?

Na ey

Người ta chứng mính được rằng : khi điểm M dịch chuyển từ O, đến O, cường dộơ từ

trường H là cực đại ở điểm O ở giữa O,O, nếu O,O, <R, H tại điểm O là cực tiểu nếu

0,0, > R Trong trường hợp 0,0, = R là trường hợp đặc biệt, từ trường H thay đổi rất châm khi đi ra xa điểm O

Một số thơng số kỹ thuật của các cuộn day Helmholtz ding trong thí nghiệm :

«_ Số vịng dây : 320 vịng mỗi cuộn

«_ˆ Điện trở:6,5 @ mỗi cuộn © lán kính cặp vịng dây : 13,5 cm

« Bán kính trung bình giữa hai cuơn dây trong thi nghiém Helmholtz là 6,8 em

Trang 28

GVHD: PHAM VAN DONG

4 “ aoe

|3ùng để cấp điện cho các cuộn dây Helmlhholtz È ự “2 * * ota

Nút 3 : nút điểu chỉnh liên tục thể lối ra Nút § và 6 : là các lễ cấm dây để lấy điện ra

Trang 29

GVHD : PHAM VAN DONG

: - 2 ` , ˆ - 2 * ớ 2 ` ˆ ˆ ‘ `

[rên thân đấu đị cĩ một ổ nhiều lỗ cấm cáp đâu đị với máy đo cắm ứng từ

Š, Máy đo cảm ứng từ ( tcslametrc )

Nút L : là ổ cĩ nhiều lỗ để cắm cáp với đầu dị theo hướng tiếp tuyến hoặc theo

truc với máy đo cảm ứng từ

Nút 2 : nút chuyển mạch để đo đo từ trường liên tục hoặc từ trường xoay chiều

Nút 3 : chọn thang đo để tăng lên gấp 10 lắn ( + 20, + 200, + 2000 ) Thang do : 20/00 mT 200.0 mT 2000 mT

Kétqia: OOlmT 0,1 mT | mT

Nút 4 : điện thế lấy ra cực đại là + 2 Va ( tương đương với +20 mT hoặc 200 mT hoặc 2000 mT theo thang chọn ở nút 3 )

Nút 5 : lỗ dẫn vào một phịng cĩ che chấn từ, Trước khi tiến hành đo, đầu dị được dưa vào lễ này để tiến hành điểu chỉnh zero cho máy đo cẳm ứng từ

Nút 6 : màn hình hiển thị số với điểm chấm cho biết thập phân của thang đo Nút 7 : nút tự động điều chỉnh zero cho máy đo cảm ứng từ khí đầu đị đã được đưa vào trong lỗ 5 ấn nút sang vị trí SET trên màn hình sẽ xuất hiện ba con

số hàng đơn vị hàng chục, hàng trăm

® Cách sử dụng :

PAu tiên bật cơng tắc khởi đơng mấy ở phía sau tcslametre Ta chọn thang đo bằng cách

xoay nút 3, Để màn hiển thị 6 hiển thị về số 0 ta nhấn nút 7 Muốn đo từ trường liên Lục ta

Trang 30

GVHD: PHAM VĂN ĐỒNG

1 1 ấp đãi dụng cú như hình sau :

2 Đối với teslametrre đặt chuyển mạch 3 ở vị trí 20, chuyển mạch 2 ở vị trí ( - ) Tiến

hành điểu chỉnh zcro cho máy đo bằng cách đưa đầu que dị vào lỗ 5 đồng thời nhấn nút 7

sung vj tri SET, trén man hình 6 sẽ xuất hiện ba con sé zero

Sau khi đã diéu chinh nhu vậy thì khhi đo từ trường các con số hiện trên màn hình cĩ giá

trị là ( tính từ bên phải ) phần trăm, phan chuc rỗi đến phần đơn vị militesia

` - - ˆ +2 +, 4 ‘te ` v 4 ˆ aw" 4a P

ì, Hật cơng tắc nguồn nuơi một chiều ổn áp Từ từ vặn nút điểu chỉnh thế lối ra cho đến

khi Ampe ké chi | A

4 Đặt hai cuơn đây Helmholtz céch nhau L = 2R ( R = 6.8 cm ) Dich chuyén đầu que dị

dọc theo trục các cuộn đây từng 5 mm một từ phải qua trái, bất đầu từ một điểm cách điểm chính giữa hai cuộn đây ( lấy làm gốc tọa độ ) khoảng chừng 15 cm cho tới điểm đối xứng với nĩ qua pốc tọa độ Mỗi lần dịch chuyển lai đọc và phi giá trị của cắn ứng từ B

Trang 31

———— ————

GVHD : PHAM VAN DONG |

$ Thay đổi khoảng cách giữa hai cuốn dây l = lR.1.= —, Mỗi lẩn như vậy lặp lại các Fin phép do như ở mục 4 6, €ih tất cả các số liêu đo được vào bảng sau : S(cm) |0 t 2 3 4 S$ 6 7 &8 9 10 HH 12 I.=2l | Bem) | 029 0230 032 0.55 OA8 OAL OAT OAS O46 O47 046 045 OAT OAT Stem) l4 15 16 7 OTR 19 20 B (mT) | 0.38 0,35 0,32 0,30 0,29 0.26 0,33 Stem) |? | 2 1 4 * 6&6 7 83 9 © off 12 I1 Đ B¢ mT) | 855 0,55 O55 0,55 055 0,54 059 0,51 0,49 047 O44 (041 0137 034 Stem) | 14 15 16 17 18 19 20 Bi mT) | 0.31 0,28 0,26 0,24 6,20 0,22 0.18 §(cm) |0 § 2 3 4 $ 6 7 & 9 10 1 12 13 1 = |B CmT) | 063 0,63 0,62 0,60 0.58 0,56 0,53 0,50 046 043 0,40 0,36 0432 0,29 ms | S(cm) | 14 15 16 17 18 192 20 B( mT) | 0.26 0,23 0,20 0,18 0,16 0.14 0,12 7 Về hai đường biểu điễn B = [( s ) ứng với ba trường hợp trên của L, lên cùng một đồ thị 8 Nhân xét :

Khi đặt hai cuơn đây Helmholtz song song, đồng trục và nối tiến nhau thì các từ trường sẽ

cơng lại với nhau

Trang 32

tie

GVHD: PHAM VAN DONG |

Ở khoảng cách L = 2R thì cảm ứng từ tại điểm giữa ở hai cuộn đây là cực tiểu (} khoảng cách l,=

~~

thì cảm ng từ tại điểm gia hai cuộn đây là cực đại

CÍ khoảng cách 1, = R ta thấy cẳm ứng từ giữa hai cuộn dây hầu nh khơng đổi ( đểu ) và

từ trưững đểu trải dài trên khấn miền Đo bằng mấy : Lip dit dung cu như hình sau : ` i vl /8 i ae — lạ gam) | i roe : he, a = LỘ =- 1 = x$<«2 4 ký —

Trang 33

GVHD : PHẠM VAN DONG

4 Di chuyển thiết bị phi đồng truc đến khi máy ghi dat được giá trị giới han trái và giới hạn phải Hạ thấp bút phí đều và châm, đi chuyển thiết bị ghi đồng trục cho đến khi

máy phị địt được giá trị ngược lại

5, Thay đổi khoảng cách giữa hai vịng đây (a= Fr, a= : ,a=2r)

6 Sau mỗi lần thay đổi khoảng cách vịng dây, dịch chuyển thiết bị do đồng trục vịng

Trang 34

5 | GVHD: PHAM VAN DONG

THI NGHIEM 2

CHUYEN DONG CUA ELECTRON TRONG

ĐIỆN TRƯỜNG VÀ TRONG TỪ TRƯỜNG

Trang 35

GVHD : PHAM VAN DONG |

L 1,ý thuyết

I Chuyển đồng của electron trong từ trường đểu

Mốt clectron cĩ khối lượng m, điện tích e chuyển động với vận tốc v khơng đổi vào một từ

trường đểu l3 tác dụng vuơng gĩc với phương chuyển đơng sẽ chịu một lực hướng tâm là ev 8 ( lite Lorentz¢ ) bude nĩ chuyển đơng trên một qũy đao trịn bán kính r, lực nầy cân ¬ bằng với lực ly tâm ——— f mv 6.v.=——— r SLY Fil ? ce V m rB Van tốc của electr.n được xác định bởi thế anốt (cơng thú) của ống phĩng chùm tủa điện lif v= 42 = B m Thay vào ta được ; e 2.U, m By t3

lián kính qũy đạo r cĩ thể tính được từ các tọa độ x, y của một điểm trên qũy đạo trên

màn huỳnh quang của ống phĩng tia điện tử 2 2 ew | 2y H là cảm ứng từ ở khoảng giữa hai cuộn dây Helmholt tính được từ cơng thức : nIR tu: = cal C"ÍR? + b)) trong đĩ : „ = 4.2.10" Him B=

n = 320 : số vịng của một cuơn đây

R=6,8 cm : nửa khoảng cách TI giữa hai cuơn đây I: cường độ dịng điện chạy trong các cuơn dây

> ; S- 0

Iiết LÍ, ,r, l3 thay vào ( | } ta xác định được tỷ số ¬ của electron

2, Chuyển động của clcctron trong điện trường đều

Trang 36

~-

GVHD: PHAM VAN DONG

Khi clectron chuyển đơng với vận tốc khơng đổi v vào mơi điện trường đểu của một tt

điện phẳng cĩ hiệu điện thế là LÍ., khoảng cách giữa hai bản là d, theo phương vuơng gĩc

vtlị các đường sức điện trường l:, thì qũy dao của clectron là một đường Parahol, phương

trình qiy đau cĩ dang sau : ie Ff V > 2m v be U, ~ = = = 2mdv Van tée electron liền hệ với thể anốt LI_ bởi hiểu thức : e v? = 2 .U, m Nền phương trình trở thành : U, : : Yˆ qqdu, ne 11, M6 tadung cu

Trong thi nghiệm này ta sử dung một số dụng cụ sau ;

1 Ơng phĩng tia điện tử lắp trên giá da:

Ong phĩng tia điện tử chho phép thực hiện nhhững nghiên cứu trên cách hoat động của tỉa âm cực trong điện trường và từ trường, Sư lệch của tia điện tử được thực hiện là nhờ vào

hai bản tụ điện vơ hình nằm ở bên trong ống Đĩ là một từ trường gắn như là đều và đồng

Trang 37

GVHD: PHAM VAN DONG

\

b - các bắn tt điện

, -* + - a , « — ˆ ="

h,: các chĩi cầm dây nổi các ban tu dién vai hiéu dién thé |

¿¡ màn huỳnh quang kể ơ vuơng canh cm để theo doi cham tia dién tử 3, Hiến thế 220 V/6 V để đốt nĩng catốt et * x + ˆ s 2 o «£ \,- Nguồn nuơi một chiếu on áp De cung chp dịng cho các cuộn dây Helmtholt ".ã ỮỎ ek set “ NúI S và 6 là lỗ lây điện ra w » 1% ý 2 =< Z rae’

Nút 3 là núm điểu chính liên tục thể lơ: ra

4 Dong ho van năng

Trang 38

GVHD : PHAM VAN DONG

« Reet Dard @ ~ fee peered carte ~ Ý# ® ao, se 941 ¿ + 82/2412 2 Nt) tt eal ag Beet: 3 Am ` No} t +; dow ert en ee rm ante toney sĩ»áp Petree et ^“ đề xe, tk& any Perene teres 040 eres 3v my 3° U*mA, 1A ic wu

whee fergee PO eude 4

ary omy mm vY^ Claw 3A

orem

“wee te

' #18, 9

Fertary beret) te mt wena ety Sứ Device ahewn Sere bt Oc hew! wee

Diiny fam Ampe ké dé do dng dién I chay trong các cuộn dây 7, ‘ * ~* , ˆ * |lai nguồn nuơi cao ấp một chiều : Để cung cấp thế anốt U„ và hiệu điện thế giữa các bản tụ điện gồm : Cơng tắc chính

Nút diều chỉnh liên tục điện thế lốt ra

Min hiển thị số đo điện thế rú

Niit chon ổ lấy điện thế ra dùng là dùng 6 hoặc 7 hay 6 và 7 nối tiếp 8 chốt

nĩi đất

sa - 4 À » a? * a’ - ˆ P * 2 -ˆ

Việc sử dụng các nguồn nuối cao thể phải rất cần thân tránh chạm phải các phần trên dây

nội hoặc ổ lấy điện khơng được bao bọc kín bằng vật liệu cách điện Trước khi muốn thay

Trang 39

iat chỉnh |

ILL Lap dat dung cy va ti€n hành thí nghiệm

1 Ghi lai duting cam ting từ l = f( s ) Vay | ti |I aa

Trước tiết ta tiến hành hiệu chỉnh máy đo từ trường teslametre bằng cách đưa đấu đị từ trường vào buồng chấn và gạt nút ST để màn hình hiển thị ra các con số zero Sau đĩ ta điểu chỉnh thang đo từ trường ở 200 mT

Đặt thanh đầu dị từ trường vào ngay tâm của vịng dây như thế đường sức sẽ vuơng gĩc

với thanh dị từ trường

Trang 40

GVHD: PHAM VAN DONG

Ap dung củ như hình sau : (4-=—— | ein Rg — 4

lật cơng tắc của biến thế 220 V/6 V để đốt nĩng dây tĩc ống phĩng tia electron

liật cơng tấc 1 của nguồn cao áp xoay nút điểu chỉnh 2 Chọn thế anốt U, khoảng 4,5 Kv

sau đĩ giữ nguyên trong suốt thí nghiệm này Một chùm tia mầu xanh xuất hiện ở chính

giữa màn huỳnh quang theo phương ngang ( nếu chùm tia khơng đối xứng với đường zcro

của lưới tọa độ vẽ trên màn huỳnh quang thì cĩ thể dùng vài thanh nam châm đặt vào giá

đữ phía dưới đuơi ống phĩng tia electron để sửa, nhưng sau đĩ khơng dịch chuyển các thanh nam châm này nữa )

[lật cơng tắc của nguồn nuơi một chiều ổn áp cấp dịng cho các cuơn dây Helmholtz tạo

nên tÈ trường, từ từ xoay nút điểu khiển điện thế lối ra theo đơi sự uốn cong của chùm tỉa và chỉ số của Ampe kế để phí lại các giá trị x, y

Idể xác định các giá trị x, y nên chọn giá trị 1 sao cho chầm tỉa đi qua một nút ( giao điểm

¡ nào đĩ trên lưới toa độ