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電子の電荷と質量の比

電子は電荷を持っているので,磁界中をローレンツ力を受けて円運動する。遠心力とローレンツ力が釣り合うことから,電子の電荷と質量の比を求める。

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ヘリウム原子と衝突する電子の軌跡

電子は数ある素粒子の中でも、光子(フォトン)と並んで身近な存在である。本実験 では、磁場中をサイクロトロン運動する電子の軌跡を観察し、比電荷(e/m)を測定する。磁場の変化とともに電子の軌道が変化することから、電子が速度を持った荷電粒子 であることが直感的に理解できる。

実験・測定は簡単であるにもかかわらず、電子の美しい軌跡は、見るものに深い印象を与える。

概要

一様な磁場中に加速した電子を入射すると、円軌道を描く。この運動は荷電粒子が磁場から受けるローレンツ力によるもので、サイクロトロン運動と呼ばれる。 電荷e、質量mの荷電粒子を電圧Vで加速し、一様磁場中で運動させたとき、比電荷e/mについて次の式が成り立つ。

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rはサイクロトン運動の半径、Bは磁場の強さである。BとVは容易に測定できるので、rを測定することにより、比電荷の値を求めることができる。

本実験では、電子が真空管内のヘリウムガスと衝突する際に発する蛍光として、サイクロトロン運動を直接観測する。磁場の発生源としては、ヘルムホルツコイルを用いる。

特徴

電子の軌跡は非常に美しく、楽しめる実験である。
装置は電気機器のみで構成されており、設置が簡単である。
熱および高熱が発生するが、装置はしっかりとシールドされており安全である。
電子の加速電圧と磁場の強さを自由に調整できるので、さまざまな条件の下で測定を行える。

装置

★詳細については、実験マニュアルを参照

「比電荷測定用装置」として、市販されている一般的なものを用いている。

比電荷測定装置

真空管用電源

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直流電源

電流計と電圧計

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実験の流れ

★詳細については、実験マニュアルを参照

画像

手順

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機器を正しく配線してから、電源を入れる。

青い軌跡の直径を、真空管内の目盛りから読み取る。加速電圧とコイル電流も同時に記録しておく。