Universität Paderborn – Fakultät für Naturwissenschaften - Physikalisches Praktikum A2 Spezifische Ladung des Elektrons e/m Fragen: Eigenschaften von Elektronen, Erzeugung eines Elektronenstrahls, Stoßionisation in Gasen, Helmholtz-Anordnung von Spulen. v geschossen, so dass die Geschwindigkeit v der Teilchen senkrecht zum Magnetfeld verläuft, v v bewirkt die zu v und B senkrecht verlaufende Lorentzkraft, dass der Teilchenstrahl zu einem Kreis umgelenkt wird, siehe Abb. 2. Die Lorentzkraft stellt die Zentripetalkraft dar: FL = FZP (3) q v B = mv 2 / r (4) r= Abb. 1. Zur Ermittlung der Lorentzkraft. Abb. 2. Lorentzkraft als Zentripetalkraft. Das Magnetfeld zeigt in die Zeichenebene rein. Aufgabe: Ein Elektronenstrahl wird durch ein homogenes Magnetfeld auf eine kreisförmige Bahn abgelenkt. Über den Radius dieser Kreisbahn wird die spezifische Ladung e/m (Ladung pro Masse) der Elektronen bestimmt. Grundlagen: 1. Kraft eines Magnetfeldes auf bewegte Ladungen. Bewegt sich ein Teilchen mit der Ladung q durch ein Magnetfeld mit der Flussdichte B, so erfährt es eine Kraft F, die senkrecht zu B und zu seiner Geschwindigkeit v gerichtet ist, vgl. Abb. 1. F heißt Lorentzkraft und berechnet sich zu: bzw. FL = q v B sin α (1) v v v FL = q (v × B ) (2) v Nur die zu B senkrechte Komponente der Geschwindigkeit v ⊥ = v sin α , wird durch das BFeld beeinflusst. Die Lorentzkraft ist immer v v senkrecht zu B und zu v gerichtet. Wird nun ein v Strahl geladener Teilchen in ein Magnetfeld B mv q B (5) Sind v und B bekannt, so lässt sich aus dem gemessenen Radius der Kreisbahn das Verhältnis q/m (Ladung pro Masse) der Teilchen bestimmen. 2. Bestimmung der Geschwindigkeit v. In unserem Versuch handelt es sich um Elektronen. Sie werden in einer sogenannten Elektronenkanone, siehe Abb.3, erzeugt, beschleunigt und gebündelt: Die Elektronen werden in der beheizten Kathode K erzeugt und von der positiv geladenen Anode A beschleunigt. Eine Fokussierungselektrode F bündelt die Elektronen zu einem feinen Strahl. Die Geschwindigkeit der Elektronen ergibt sich aus der folgenden Energiebilanz: eU = mv 2 2 e=qe=Ladung des Elektrons (Elementarladung), U=Anodenspannung, Beschleunigungsspannung Abb. 3. Elektronenkanone (6) A2 Spezifische Ladung des Elektrons e/m Seite 2 Dabei ist: µ0=1,256·10-6 Vs(Am)-1 die magnetische Feldkonstante N=Anzahl der Spulenwindungen, N=130 R=mittlerer Radius der Spulen, R=15 cm I=Strom durch die beiden in Serie geschalteten Spulen (wird gemessen) Abb. 4. Schematischer Versuchsaufbau. FSR=Fadenstrahlrohr, EK=Elektronenkanone, --=Kreisbahn des Elektronenstrahls nach Einschalten des Magnetfeldes. Aus (6) folgt: v2 = 2 eU m und aus (5) mit q=e: v2 = r 2 e2 B 2 m2 Gleichsetzen ergibt schließlich: e 2U = 2 2 m r B (7) 3. Erzeugung des Magnetfeldes. Vorbedingung für diesen Versuch ist ein ausgedehntes homogenes Magnetfeld. Dieses wird durch ein System von Helmholtzspulen erzeugt. Helmholtzspulen sind zwei flache Spulen mit dem Radius R, die in einem Abstand a=R koaxial zueinander angeordnet sind. Sie erzeugen im Innenraum ein homogenes Feld B, das sich wie folgt aus dem Strom I berechnen lässt: B = 0,715 µ 0 NI R (8) Versuchsbeschreibung: Die Versuchsanordnung besteht im Wesentlichen aus einem evakuierten Glaskolben (Fadenstrahlrohr) mit Elektronenkanone und Messskala, die im Zentrum eines Helmholtzspulenpaares angeordnet ist, siehe Abb. 4. Das gläserne Fadenstrahlrohr ist nicht restlos evakuiert, sondern enthält noch eine geringe Menge Gas. Längs ihrer Bahn ionisieren die Elektronen die Gasatome. Bei der Rekombination treten Leuchterscheinungen auf, die die Bahn der Elektronen im Glaskolben sichtbar machen. Eine hinter dem Kolben angebrachte Spiegelskala gestattet es, den Radius der kreisförmigen Elektronenbahnen zu bestimmen. Auf diese Weise kann man Kreisbahnen mit Radien r von ca. 3 cm bis ca. 5 cm durch Variation des Spulenstromes einstellen. Die Elektronenkanone wird aus einem Netzgerät gespeist: Anodenspannung zur Beschleunigung: U=250 V (konstant) Fokussierungsspannung zur Einstellung von Schärfe und Helligkeit des Strahles Heizspannung zur Beheizung der Kathode, fest vorgegeben Die Helmholtzspulen werden durch ein Netzgerät gespeist. Durch einen Regler am Netzgerät kann man den Spulenstrom I im Bereich von ca. 1 A bis ca. 2 A variieren. Versuchsdurchführung: Nach Einschalten der beiden Netzgeräte wird die Beschleunigungsspannung U auf konstant 250 V eingestellt. Bei Spulenströmen I zwischen 1,2 A und 2,0 A (in 0,1 A - Schritten) werden die Radien r der Elektronenbahnen in der Fadenstrahlröhre gemessen. Dabei ist erst rechts, dann links auf der Spiegelskala das Spiegelbild mit dem Kreisstrahl in Deckung zu bringen und der Skalenwert abzulesen. Durch Mittelung der beiden (leicht unterschiedlichen) Werte erhält man den Radius der Kreisbahn. A2 Spezifische Ladung des Elektrons e/m Auswertung: Aus Gleichung (7) folgt: 1 e B2 = r 2 m 2U und mit Gleichung (8) unter Verwendung von N=130 und R=0,15 m 1 e 1 T 0,778 10−3 = 2 r m 2U A { } 2 I2 Trägt man nun 1/r² gegen I² in einem Diagramm auf und legt man durch die Messpunkte eine Ausgleichsgerade, so kann man aus der Steigung der Geraden e/m bestimmen. Literatur. [BS], [Ti], [Wa], [TS] Version 15-04-2010 Seite 3