實驗目的
利用亥姆霍茲線圈產生近似均勻的磁場,讓電子束彎成圓形;量出圓的大小,配合加速電壓與磁場求出電子的荷質比 e/m,再與公認值比較。
實驗器材
- 一對相同、同軸的圓形線圈(亥姆霍茲線圈):每個 N = 130 匝、半徑 R = 15.0 cm,兩線圈相距 R,通以同方向、同大小的電流。
- 玻璃球(直徑 16 cm):內有極低壓的氦氣與電子槍;熱陰極放出電子,被加速電壓推向陽極,從小孔射出成為細細的電子束。
- 玻璃球前方的標尺與左右兩個可滑動的游標(附細線,最小讀數 0.1 mm),用來對準電子束的左右兩端。
- 電源供應器:加速電壓 V 與線圈電流 I 的調整旋鈕與數字電表。
原理
1. 電子被加速
電子幾乎由靜止出發,經過電位差 \(V\) 加速,電力所做的功 \(eV\) 全部變成動能:
\[ eV = \tfrac12 m v^2 \quad\Longrightarrow\quad v = \sqrt{\frac{2eV}{m}} \]
2. 磁力讓它轉成圓
在線圈中,速度與 \(\vec B\) 垂直。磁力 \(evB\) 永遠垂直於速度,只改變運動方向,正好當作向心力:
\[ evB = \frac{m v^2}{r} \quad\Longrightarrow\quad r = \frac{mv}{eB} \]
3. 消去速率 v
把 \(mv = eBr\) 平方得 \(m^2v^2 = e^2B^2r^2\),再用第 1 步的 \(mv^2 = 2eV\):
\[ \frac{e}{m} = \frac{2V}{B^2 r^2} \qquad\text{equivalently}\qquad 2V = \frac{e}{m}\,(Br)^2 \]
所以 \(2V\) 對 \((Br)^2\) 作圖是一條通過原點的直線,斜率就是 \(e/m\)。也可以看出 \(r \propto \sqrt V/B\):電流加倍,圓縮成一半;電壓要變成 4 倍,圓才會變成 2 倍大。
4. 亥姆霍茲線圈的磁場
單一圓形線圈(\(N\) 匝)的軸上、距圓心 \(a\) 處,磁場為 \(B_1 = \dfrac{\mu_0 N I R^2}{2(a^2 + R^2)^{3/2}}\)。亥姆霍茲線圈的中點距兩個線圈都是 \(a = R/2\),兩個磁場同方向相加:
\[ B = 2\cdot\frac{\mu_0 N I R^2}{2\left[(R/2)^2 + R^2\right]^{3/2}} = \frac{8\mu_0 N I}{\sqrt{125}\,R} \approx 0.7155\,\frac{\mu_0 N I}{R} \]
代入 \(N = 130\)、\(R = 0.150\ \mathrm{m}\)、\(\mu_0 = 4\pi\times10^{-7}\ \mathrm{T\,m/A}\):每 1 A 的電流產生 \(B \approx 7.79\times10^{-4}\ \mathrm{T}\)。為什麼間距要等於半徑?兩線圈相距恰好 \(R\) 時,讓磁場隨位置改變的項一直抵消到二階,中心附近的磁場非常均勻:在電子束的平面上,離軸 4 cm 只弱 0.23%,離軸 6 cm 約弱 1.3%。
5. 為什麼看得到電子束
玻璃球內有極稀薄的氦氣。少數高速電子撞到氦原子,使原子激發,原子回到低能量時放出光,標出了電子走過的路徑。氣體非常稀薄,絕大多數電子的能量不受影響,路徑與在真空中相同。加速電壓低於約 25 V 時,電子能量不足以激發氦原子,看不到光。
步驟
- 讓教室變暗。先把加速電壓與線圈電流的旋鈕轉到最小,再打開電源,等幾秒讓陰極加熱。
- 調高加速電壓,出現直線的電子束後,再調高線圈電流,直到電子束彎成完整、清楚的圓。
- 把電壓表調到 100 V,讀出電流表的 I,由 N、R、I 算出中心磁場 B。
- 移動左、右游標,使細線恰好對準電子束最左與最右處的中央;讀每一邊時眼睛都要正對該游標。兩個讀數相減就是直徑 D,r = D/2。記錄 V、I、D。
- 改成 150 V、200 V、250 V 重做(每次調電流讓圓大小適中),算出每一次的 e/m,並由 2V 對 (Br)² 的斜率求出 e/m。
注意事項
- 加速電壓高達數百伏特:一定從零開始調,不要碰觸接線端子。
- 線圈電流不要長時間開得很大,線圈會發熱。
- 避免視差:游標在電子束前方約 9.5 cm。讀哪一邊,眼睛就移到那個游標的正前方,讓游標的前、後兩條細線重合。如果眼睛停在中央讀兩邊,本裝置量到的直徑會小約 21%!
- 電子束有一點寬度,兩邊都要對準電子束的中央。
- 圓的大小要適中:圓太小,讀數的相對誤差大;圓太大,電子經過離軸較遠、磁場較弱的地方,圓會偏大,算出的 e/m 偏小。
- 地球磁場也會作用在電子上。把裝置轉到線圈軸線指向東西方向,地磁的水平分量就沒有沿著軸線的部分。
問題與討論
- 要求出 \(e/m\),必須測量哪些量?哪些是儀器的常數?
參考答案
測量 \(V\)、\(I\)(用來算 \(B\))與直徑 \(D\);\(N\)、\(R\) 是線圈的常數。
- \(V\) 不變、線圈電流加倍,半徑變成幾倍?在模擬中驗證。
參考答案
\(B\) 加倍,\(r = mv/(eB)\) 變成一半。
- 把 \(V\) 加倍,要讓圓的大小不變,電流要變成幾倍?
參考答案
\(r \propto \sqrt V/I\),所以 \(I\) 要乘以 \(\sqrt2 \approx 1.41\)。
- 如果在玻璃球正中央的前方讀兩個游標,算出的 \(e/m\) 會偏大還是偏小?
參考答案
電子束在標尺後方,看起來比較小:\(D\) 偏小,而 \(e/m \propto 1/r^2\),所以結果偏大(本裝置約大 60%)。
- 圓大到快碰到玻璃時,為什麼算出的 \(e/m\) 偏小?
參考答案
離軸遠的地方,實際磁場比計算時用的中心磁場 \(B\) 弱,圓比 \(mv/(eB)\) 大。
- 為什麼玻璃球中的氣體壓力要非常低?
參考答案
讓大多數電子能繞完整圈而不碰撞;只需要少數的碰撞就足以讓路徑發光。
延伸:螺旋運動
把電子槍轉一個角度 \(\alpha\),離開圓的平面。速度就有沿 \(\vec B\) 的分量 \(v\sin\alpha\)(磁力無法改變它)與垂直分量 \(v\cos\alpha\)(繼續繞圈),電子束變成螺旋線:
\[ r = \frac{m v\cos\alpha}{eB}, \qquad T = \frac{2\pi m}{eB}, \qquad p = v\sin\alpha\cdot T = 2\pi\,\frac{mv}{eB}\,\sin\alpha \]
在「含誤差」模式中,真實線圈的磁場越靠近導線越強,角度小的螺旋可能被推回來——這就是小型的「磁鏡」。在 3D 中觀察。
觀察重點
- 只改 \(V\):圓隨 \(\sqrt V\) 變大;只改 \(I\):半徑與 \(1/I\) 成正比。
- 打開「電子運動」,在電流相同、電壓不同時比較繞一圈的時間:週期 \(T = 2\pi m/(eB)\) 與速率無關。(打開音效時,音高跟著繞圈的頻率變。)
- 打開「視差」,眼睛停在中央量直徑:會小約 21%。再把眼睛輪流移到每個游標的正前方,直到前後兩條細線重合。
- 在「含誤差」模式中,比較小圓與幾乎填滿玻璃球的大圓所算出的 e/m。
模擬方法
- 常數:\(e = 1.602176634\times10^{-19}\ \mathrm{C}\)、\(m = 9.1093837015\times10^{-31}\ \mathrm{kg}\)(CODATA 2018),\(e/m = 1.7588\times10^{11}\ \mathrm{C/kg}\);\(\mu_0 = 4\pi\times10^{-7}\ \mathrm{T\,m/A}\)。300 V 時 \(v/c \approx 0.034\),相對論使半徑改變不到 0.03%,不予考慮。
- 「理想」:磁場處處等於中心值 B,軌跡是精確的圓(或螺旋線),電表準確,讀數時眼睛永遠正對游標。
- 「含誤差」:每個線圈離軸的磁場用完全橢圓積分的封閉公式精確計算(每個線圈視為 \(N\) 匝、半徑 \(R\) 的圓線圈),兩個線圈相加;再用 Boris 法追蹤電子(每一步速度方向最多轉 0.004 rad,速率精確守恆)。電表有小小的校正誤差(電壓最多 0.4%、電流最多 0.3%,每次開啟頁面都不同),並四捨五入到最後一位。
- 視差:游標與標尺在電子束前方 \(d = 9.5\ \mathrm{cm}\),眼睛在標尺前方 \(L = 35\ \mathrm{cm}\)。電子束上的一點看起來對齊標尺上的 \(x' = x + (x_{\text{眼}} - x)\,\dfrac{d}{L + d}\),所以眼睛不動時,圓看起來只有實際的 \(L/(L+d) \approx 0.79\) 倍。每個游標的前、後面各有一條細線(相距 1.6 cm),只有眼睛正對游標時兩條線才會重合。
- 電子束從球心下方 4.5 cm 的電子槍射出,碰到玻璃(內半徑 7.9 cm)或回到電子槍後端就停止。「電子運動」以慢動作顯示:畫面上 1 秒相當於真實的 16 奈秒。
- 3D 檢視使用 three.js 函式庫(MIT 授權),只有切換到 3D 時才會下載。線圈、玻璃球、電子槍、標尺與游標都依實際尺寸繪製;電子束與 2D 是同一條計算出的路徑,磁力線則是在通過軸線的水平面上,沿計算出的線圈磁場描出來的。
- 音效(預設關閉):短音的音高是電子繞圈的頻率 eB/(2πm) 縮小約 4 萬倍到聽得見的範圍,所以只和電流有關。
參考資料
- 課綱對應:選修物理Ⅴ・量子現象
- 常數與數據:基本電荷 \(e = 1.602\,176\,634\times10^{-19}\ \mathrm{C}\),SI 定義的精確值(NIST);電子質量 \(m = 9.109\,383\,7015\times10^{-31}\ \mathrm{kg}\)(CODATA 2018;CODATA 2022 為 \(9.109\,383\,7139\times10^{-31}\ \mathrm{kg}\),NIST,相差約十億分之一,對本實驗毫無影響);荷質比公認值 \(e/m = 1.758\,820\,008\,38\times10^{11}\ \mathrm{C/kg}\)(CODATA 2022,NIST);\(\mu_0 = 4\pi\times10^{-7}\ \mathrm{T\,m/A}\) 用課本的值,2019 年 SI 改制後 \(\mu_0\) 改為實驗值 \(1.256\,637\,061\,27\times10^{-6}\ \mathrm{N/A^2}\)(CODATA 2022,NIST),兩者相差不到百億分之一。線圈(N = 130、R = 15.0 cm)、玻璃球與標尺是本模擬設定的儀器尺寸。
- 延伸閱讀:OpenStax《University Physics Volume 2,11.3 帶電粒子在磁場中的運動》(英文)