[물리실험] 전자의 전하량과 질량의 비를 측정 실험(예비+결과레포트)

소개글

[물리실험] 전자의 전하량과 질량의 비를 측정 실험(예비+결과레포트)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 배경이론

2. 실험방법

3. 실험결과

4. 결과분석 및 disccusion

5. 참고사항

6. 참고문헌

본문내용

작게 측정된 것으로 해석할 수 있다. 혹은 운동에너지보다 전기에너지가 많이 측정된 것으로 해석할 수 있다. 이는 위에서 말했듯이 실험실내의 다른 전기장이나 지구자기장으로 인해 전자가 추가적인 에너지를 얻었을 가능성이 크고 또 전자가 공기분자 혹은 헬륨과 충돌하면서 입은 운동에너지의 손실이 가장 큰 이유인 것 같다. 좀 더 정밀한 실험을 위해서는 헬흠헬쯔코일에 좀 더 큰 전류를 가해주어서 자기장이 크게 가해 주도록 하고 실험장치를 전기장이나 자기장으로부터 차폐시키는 것이다. 이번실험을 통해 알 수 있는 것은 전자가 자기장에 수직한 방향으로 갈 때 받는 로렌츠힘을 통해 전자의 전하와 질량비를 확인 할 수 있었다.
5.참고사항
1897년 톰슨이 영국 켐브릿지의 캬벤딧슈실험실에서 수행한 이 획기적인 실험은 자기장과 전기장을 결합시켜서 그 안에서 전자가 편향되는 것을 관측하여 전자의 전하와 질량의 비를 측정하였다. 이 실험으로 기본입자로 전자가 발견되기에 이른 것이다. 여기에서는 전기장과 자기장의 하전입자에 대한 작용에 관한 또 하나의 실제적인 예로 들어서 논의해 보자.
다음 그림은 톰신이 사용했던 장치의 현대판이다. 그 그림에는 가열된 선조 F로부터 전자가 방출되며 가해 준 전위차 V에 의해서 전자는 가속된다. 그 다음에 가속된 전자는 전기장E와 자기장B에 직각이 되도록 운동하게 되는 지역에 들어간다. E와 B또한 서로 직교한다. 전자선속이 형광막 S를 때리게 될 때 선속은 광점으로 나타나게 된다. 전자가 운동하게 될 전 지역은 고도로 진공화되어 있어서 공기 분자와의 충돌은 일어나지 않게 된다.
전기장과 자기장을 운동해 지나가는 하전입자에 대한 합력은 로 주어진다. 잘 생각해보면 전기장은 입자를 위쪽으로 자기장은 입자를 아래쪽으로 편향시키려고 한다는 것을 알 수 있다. 이러한 편향력이 상쇄되려면 이 문제에 대해 이 식이
또는
가 되어야 한다. 이와 같이 주어진 전자의 속력 v에 대해서 편향이 0이 되어야 한다는 조건이 E혹은 B를 조절하여 만족될 수 있게 된다.
톰슨이 썼던 실험절차는 E와 B가 모두 0일 때 편향되지 않는 선속이 만드는 점의 위치를 치부해 둔다. 그리고는 일정한 전기장 E를 가해 주어서, 결과한 편향을 형광막상에서 측정하고 자기장을 작용시켜 선속 편향이 0이 으로 회복될 때까지 자기장의 값을 조절하는 것이다.
순수한 전기장내에 있는 전자의 편향 y를 편향판의 먼 끝단에서 측정해서 쓰면
라고 쓸수 있다. 이 식을 y에 대한 식에 대입하고 비 e/m에 대해 풀면
가 나온다. 여기서 우변의 모든 양을 측정할 수 있다. 국제 단위(SI)로 표현된 톰슨의 값은 1.7 이었다. 이는 1973년의 측정치 1.7588047와 잘 맞는다.
○물질의 이중성
manual에서 L=13.5cm으로 되어있으나 우리가 측정한값은 13cm이었다.
가속전압
( kv )
첫번째동심원(cm )
(Å)
두번째동심원
(cm)
(Å)
상대론보정에
의한 λ(Å)
2
1.7
2.094231
3.1
1.148449
0.273861279
0.273861
1.823529
2.8
1.6
1.880572
2.8
1.074613
0.231455025
0.231455
1.75
3.6
1.3
2.04124
2.2
1.206187
0.204124145
0.204124
1.692308
4.5
1.1
2.157693
2.1
1.13022
0.182574186
0.182574
1.909091
데이터에서 보듯이 전압을 높게 가해줄 수록 동심원의 반지름이 작아짐을 알 수 있다. 이는 전압을 크면 클수록 전자가 받은 운동에너지는 크게 되고 속도가 커진다. 이 공식에 의해 전자의 운동량이 늘어나게 되고 전자의 파장이 작아지는 것을 회절 간섭을 통해서 확인하는 실험이었다. 즉 전압은 파장의 제곱에 반비례함을 확인할 수 있다. 이 실험을 통해서 전자라는 질량가진 물질도 속도를 가지고 운동하면 파동의 성질을 띠게 되는 드브로이의 물질파 이론을 확인할 수 있었다. 또 고체결정내에서 회절하는 Bragg의 법칙을 확인할 수 있었다. 이론값에서 과 의 비가 즉 약 1.7:1정도 되는데 실험값에서도 많이 맞음을 알 수 있다. 그러나 그 값이 정확하지 않고 테일러로 근사한 값이기 때문에 차이가 나는 것 같다.
우리가 측정 결정의 격자간격 과 가 10%이내의 오차를 가지고 차이를 보였는데 이는 전자의 회절 간섭으로 인한 밝은 부분의 두께가 두꺼워서 정밀하게 측정하기 힘들었다. 1학기때 한 영의 회절 간섭실험에서는 peak값을 정확하게 측정할 수 있었으나 여기서는 peak값을 정확하게 알기 힘들고 또 전자의 흐름이므로 실험실내의 전기장과 지구자기장의 영향을 받을 가능성이 너무 컸다. 즉 이는 오차의 가장 큰 요인이라고 생각한다. 그리고
상이 맺히는 부분 즉 스크린이 측정을 하기에는 조금 부정확한 부분이 있었다. 정확하게 자로대기 편한 스크린이 좋을 것이다. 이번실험에서 아쉬웠던점은 영의 슬릿실험에서 처럼 물질파도 슬릿의 간격에 따라 어떻게 변하는지도 확인을 했으면 좋았을 것이다. 물론 간격에 영향을 받겠지만 하지 못해서 아쉬웠다.
○전압과 파장의 관계
○ 과 의 비율
그래프에서 보듯이 파장의 제곱과 가해준 전압이 반비례함을 확인할 수 있었다. 두 번째 그래프는 과 의 비 그래프인데 결론적으로 이 나와야하는데 약간의 오차가 있음을 볼 수 있다. 즉 가 좀 크게 나왔는데 이는 상대적으로 가 작게 나온 것이다.
이는 두 번째 회절 간섭이 첫 번째보다 그 경로가 길고 약해질 가능성이 많아서 상이 맺힐 때 더 많이 퍼지기 때문이다. 반지름이 퍼져서 더 길게 측정되고 그에 따라서 값이 작게 나온것 같다. 보다 정밀하게 측정한다면 더 정확한 값을 얻을 수 있을 것이다.
또 측정한 파장을 상대성이론을 통해 보정하였는데 데이터에서 보면 알다시피 거의 차이가 없다. 이는 전자의 속도가 빛의 속도에 비해 상당히 느리기 때문에 그점은 무시할 수 있는 것 같다.
6.참고문헌
http://physica.gsnu.ac.kr/physedu/modexp/EDiffract/main.htm
현대물리학 이일수 저
현대물리 최상돈 강남룡 이연주 공저
물리학 총론

키워드

전자,   전하량,   전자의 질량,   일렉트론,   electron,   물리실험,   중성자,   양성자