トムソンの実験(電子の比電荷の測定)

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真空中で、電子銃から飛び出した電子の運動を調べる。 電子の電気量の大きさを e、質量を m とし、重力の影響は無視できるものとする。 まず、静止していた電子を電位差 V₀ で加速したところ、電子は速さ v₀ となった。 (1) 電子の速さ v₀ を e、m、V₀ を用いて表せ。 次に、この電子を間隔 d の水平な2枚の平行金属板の間に水平方向に入射させる。 上側の金属板の電位を下側より V だけ高くすると、金属板間には一様な電場が生じた。 (2) 金属板間の電場の強さ E を V、d を用いて表せ。 また、電場の向きと、電子が電場から受ける力の向きと大きさをそれぞれ答えよ。 平行金属板の水平方向の長さを l とする。電子は金属板の中央の高さから速さ v₀ で水平に入射し、金属板に衝突することなく通過した後、電場のない領域を進み、金属板の右端から水平距離 L だけ離れたスクリーン(蛍光面)に到達するものとする。 (3) 電子がスクリーン上で、電場を加えない場合の到達点から鉛直方向にずれる距離を Y とする。 Y を e、E、m、v₀、l、L を用いて表せ。 電子の比電荷 e/m を測定するため、同じ速さ v₀ の電子を再び平行金属板間に入射させる。 このとき、電子は紙面上を左から右へ進むものとする。 平行板間の電場に加えて、一様な磁場を加える。磁束密度の大きさを B とする。 (4) 電子が曲がることなく直進するためには、磁場をどの向きに加えればよいか。 また、このときの電子の速さ v₀ を E、B を用いて表せ。 (5) (3)、(4)の結果を用いて、電子の比電荷 e/m を E、B、Y、l、L を用いて表せ。 (6) E=4.0×10⁴ V/m、B=1.0×10⁻³ T、l=5.0×10⁻² m、L=1.5×10⁻¹ m のとき、電子は直進した。 また、磁場を加えずに電場だけを加えたとき、スクリーン上でずれた距離は Y=3.9×10⁻² m であった。 比電荷 e/m を有効数字2桁で求めよ。 用語 気体放電 気体中に高い電圧を加えると、気体が電離して電流が流れる現象。 真空放電 気体の圧力を低くした放電管に高い電圧を加えると、気体中に電流が流れ、気体の種類に特有の色の光を発する現象。 陰極線 真空放電の際に陰極から出る電子の流れ(電子線)。 電場や磁場で軌道が曲がることから、負電荷をもつ粒子の流れであることがわかった。 比電荷 粒子の電気量の大きさ e [C] と質量 m [kg] の比 e/m。 電子では、 e/m ≒ 1.76×10¹¹ C/kg である。 貼り付けたテキスト(1) 解答 (1) 電子が電位差 V₀ で加速されるとき、電場が電子にする仕事は eV₀ である。 エネルギー保存則より、 eV₀=(1/2)mv₀² したがって、 v₀=√(2eV₀/m) (2) 平行板間の電場の強さは、 E=V/d 上側の金属板の電位が高いから、電場の向きは鉛直下向きである。 電子は負電荷をもつから、電子が電場から受ける力は鉛直上向きで、その大きさは eE である。 (3) 電子が平行板間を通過する時間を t₁ とすると、 t₁=l/v₀ 電子が電場から受ける力の大きさは eE なので、鉛直方向の加速度の大きさは、 a=eE/m 平行板を出るまでの鉛直方向の変位 y₁ は、 y₁=(1/2)at₁² =eEl²/(2mv₀²) 平行板を出るときの鉛直方向の速度 vᵧ は、 vᵧ=at₁ =eEl/(mv₀) 平行板を出てからスクリーンに到達するまでの時間 t₂ は、 t₂=L/v₀ この間の鉛直方向の変位 y₂ は、 y₂=vᵧt₂ =eElL/(mv₀²) よって、 Y=y₁+y₂ =eEl²/(2mv₀²)+eElL/(mv₀²) したがって、 Y=eEl/(mv₀²) × (L+l/2) 平行板間では、電子は水平方向には力を受けないため、水平方向には速さ v₀ の等速運動をする。 よって、平行板の長さ l を速さ v₀ で割ることで、平行板間を通過する時間が求められる。 一方、鉛直方向には電場から大きさ eE の力を受けるため、初速度0の等加速度運動をする。 運動方程式 ma=eE から鉛直方向の加速度を求めることができる。 これは、力学で学習した水平投射と同様に、水平方向と鉛直方向の運動を分けて考える問題である。 平行板を出ると電場がなくなるため、その後は平行板を出た瞬間の速度で等速直線運動する。 よって、その後の鉛直方向の変位を求めるには、平行板を出た瞬間の速度の y 成分 vᵧ を求めればよい。 本問で利用する基本関係は次の通りである。 等加速度運動: v=u+at y=ut+(1/2)at² 電気量の大きさ q [C] の粒子を電位差 V₀ [V] で加速するとき、電場がする仕事の大きさは qV₀。 一様な電場では、 V=Ed 電気量の大きさ q [C] の粒子が電場 E [V/m] から受ける力の大きさは、 F=qE (4) 電子が電場から受ける力は鉛直上向きなので、電子を直進させるには、磁場から受ける力が鉛直下向きになればよい。 電子は負電荷をもつから、加えるべき磁場の向きは紙面の手前から奥向きである。 電子が直進するとき、電場による力と磁場によるローレンツ力の大きさが等しいから、 eE=ev₀B したがって、 v₀=E/B 電場 E による力の大きさは qE、速度 v と磁場 B が垂直なときのローレンツ力の大きさは qvB である。 両者が逆向きで大きさが等しいとき、合力が0となり、電子は直進する。 磁場による力 F の向き、磁場 B の向き、電流 I の向きは、フレミングの左手の法則で判断できる。 左手の親指、人差し指、中指を互いに垂直にすると、それぞれ力 F、磁場 B、電流 I の向きを表す。 ただし、電子は負電荷をもつため、電流の向きは電子の運動方向と逆向きであることに注意する。 本問ではローレンツ力 ev₀B が鉛直下向きで、電子が右向きに進むから、磁場 B の向きは紙面奥向きである。 貼り付けたテキスト(1) (5) (3)より、 Y=eEl/(mv₀²) × (L+l/2) したがって、 e/m=Yv₀²/{El(L+l/2)} (4)の v₀=E/B を代入すると、 e/m=YE/{B²l(L+l/2)} (6) (5)より、 e/m=YE/{B²l(L+l/2)} 数値を代入すると、 e/m =(3.9×10⁻²)(4.0×10⁴) ÷{(1.0×10⁻³)²(5.0×10⁻²)(1.5×10⁻¹+2.5×10⁻²)} =1.78…×10¹¹ C/kg したがって、有効数字2桁で、 e/m=1.8×10¹¹ C/kg
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高校物理 原子物理
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