* 電子の電荷と質量の比 [#k406832c]
#ref(electron-l.jpg,right,wrap,around,exif)
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。
#clear
RIGHT:ヘリウム原子と衝突する電子の軌跡
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#contents
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** 概要 [#w193f468]
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。
#tex(center,\frac{e}{m}=\frac{2V}{r^2 B^2})
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 [#n646d96f]
-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 [#if6bd97d]
★詳細については、[[実験マニュアル>#qe774db8]]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。
|CENTER:比電荷測定装置|CENTER:真空管用電源|
|#ref(hako.jpg)|#ref(AC.jpg)|
|CENTER:直流電源|CENTER:電流計と電圧計|
|#ref(DC.jpg)|#ref(IV.jpg)|
** 実験の流れ [#aab8d289]
★詳細については、[[実験マニュアル>#qe774db8]]を参照
|~画像|~手順|
|#ref(all.jpg)|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。|
**実施時の注意点 [#h2c8b683]
-半径測定の際は、最も外側を測るように注意する。外側にいくほど軌跡がぼやけて見えにくくなるが、目視できる限界まで読み取る。
** 発展 [#j39535e7]
- 永久磁石をガラス管に近づけると、電子の軌道が変化する。電子が磁場によって曲げられていることを実感するには、これを演示するのもよいであろう。
- 実験部屋を暗くすることにより、電子の軌道のより外側まで見えるようになり、系統的誤差を減らすことができる。しかしながら、授業は大変やりにくくなってしまう。
** 実験結果 [#t713f3dc]
-データ集計の詳細については、[[物理学実験/データの集計について]]を参照
|~測定量|~比電荷|
|標本数|300|
|比電荷の平均値|2.07 [10&super{11}; C/kg]|
|標準偏差|0.17 [10&super{11}; C/kg]|
|文献値|1.76 [10&super{11}; C/kg]|
#br
#ref(hidenka.txt.gif,center,nolink)
-比電荷の測定値は平均値を中心に分布
しているが、この平均値は文献値1.76[10&super{11}; C/Kg]と比べてかなり大きい。
この系統的誤差の主な原因としては、電子の軌道半径を小さめに測定してしまっている、ということが考えられる。サイクロトロン運動によりエネルギーを失った電子は円軌道の内側へ移動するため、半径の測定は、軌道の最も外側に対して行わなくてはならない。しかしながら、実験室の照明がついた環境では、軌道の外側のかすかな蛍光が見えにくくなる。
** 実験マニュアル [#qe774db8]
//著作権に関しては、[[物理学実験/著作権について]]をご覧ください。
>ダウンロード： &ref(hidenka.pdf);
>ダウンロード： &ref(電子の電荷と質量の比.pdf);
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RIGHT:[[物理学実験/著作権について]]
