第十八章：原子结构 第 1 节：电子的发现1知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。是比原子更基本的物质单元。2体会电子的发现过程中蕴含的科学方法。体会电子的发现过程中蕴含的科学方法。3知道电荷是量子化的，即任何电荷只能是知道电荷是量子化的，即任何电荷只能是 e 的整数倍。的整数倍。4领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义。 本节由阴极射线和电子的发现两部分内容组成。重点是本节由阴极射线和电子的发现两部分内容组成。重点是电子的发现过程蕴含的科学方法。首先通过实验说明阴极射电子的发现过程蕴含的科学方法。首先通过实验说明阴极射线的存在，然后指出科学家对阴极射线的认识，最后仍然通线的存在，然后指出科学家对阴极射线的认识，最后仍然通过实验研究发现了电子。电子的发现说明原子不是组成物质过实验研究发现了电子。电子的发现说明原子不是组成物质的最小微粒，对揭示原子结构有重大意义，是近代物理三大的最小微粒，对揭示原子结构有重大意义，是近代物理三大发现之一。发现之一。 电子发现的本身是一个很好的培养学生分析问题和解决电子发现的本身是一个很好的培养学生分析问题和解决问题能力的内容，认识电子发现的重大意义，体会电子的发问题能力的内容，认识电子发现的重大意义，体会电子的发现过程中蕴含的科学方法是教学中的重点。通过演示实验和现过程中蕴含的科学方法是教学中的重点。通过演示实验和历史资料介绍，使学生通过观察，阅读理解，达到教学目标。历史资料介绍，使学生通过观察，阅读理解，达到教学目标。 19 19世纪末，在对气体放电现象的研究中，科世纪末，在对气体放电现象的研究中，科学家发现了电子。学家发现了电子。从而得出：从而得出：原子是可以分割的，是原子是可以分割的，是由更小的微粒组成的由更小的微粒组成的。演示实验演示实验 1858 年德国物理学家普吕克尔较早发现了气体导电时年德国物理学家普吕克尔较早发现了气体导电时的辉光放电现象。的辉光放电现象。 1876 年德国物理学家戈德斯坦认为管壁上的荧光是由年德国物理学家戈德斯坦认为管壁上的荧光是由于玻璃受到的于玻璃受到的阴极发出阴极发出的某种射线的撞击而引起的，并把的某种射线的撞击而引起的，并把这种未知射线称之为这种未知射线称之为阴极射线阴极射线。 一、阴极射线一、阴极射线一、阴极射线一、阴极射线代表人物，赫兹。认为这种射线的本质是一代表人物，赫兹。认为这种射线的本质是一种种电磁波电磁波的传播过程。的传播过程。电磁波说电磁波说 代表人物，汤姆孙。认为这种射线的本代表人物，汤姆孙。认为这种射线的本质是一种质是一种高速粒子流高速粒子流。粒子说粒子说 那么，阴极射线的本质是什么？电子的发现经那么，阴极射线的本质是什么？电子的发现经那么，阴极射线的本质是什么？电子的发现经那么，阴极射线的本质是什么？电子的发现经历了怎样的曲折历程？历了怎样的曲折历程？历了怎样的曲折历程？历了怎样的曲折历程？二、电子的发现二、电子的发现二、电子的发现二、电子的发现 英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。实验装置如图所示：实验装置如图所示： 金属板金属板 D1、D2 之间未加电场时，射线不偏转，射在屏上之间未加电场时，射线不偏转，射在屏上的的 P1 点，按图示方向加电场点，按图示方向加电场 E 之后，射线发生偏转并射到屏之后，射线发生偏转并射到屏上的上的 P2 点，由此推断，阴极射线带有什么性质的电荷？点，由此推断，阴极射线带有什么性质的电荷？带带负负电电 我们已经知道阴极射线是带负电荷的粒子我们已经知道阴极射线是带负电荷的粒子流，那么，如何求阴极射线微粒的比荷？流，那么，如何求阴极射线微粒的比荷？ 为使阴极射线不发生偏转，在平行极板区为使阴极射线不发生偏转，在平行极板区域应采取什么措施？域应采取什么措施？ 在平行板区域加一磁场且磁场方向必须在平行板区域加一磁场且磁场方向必须垂直纸面向外垂直纸面向外，当，当满足条件满足条件 qvB = qE 时，则阴极射线不发生偏转，即：时，则阴极射线不发生偏转，即：v = E/B。 方法一：方法一：若撤去磁场，带电粒子由若撤去磁场，带电粒子由P1 点偏离到点偏离到 P2，P2 到到 P1 竖直距离为竖直距离为 y，屏幕到金属板，屏幕到金属板 D1、D2 右端的右端的距离为距离为 D，你能算出阴极射线的比荷吗？，你能算出阴极射线的比荷吗？qm屏屏幕幕 LD v0yP1P2qm屏屏幕幕 LD v0又因为：又因为： 且且 化简得：化简得： P1P2y 方法二：方法二：利用磁场使带电的阴极射线发生偏转，利用磁场使带电的阴极射线发生偏转，能否根据磁场的特点和带电粒子在磁场中的运动规律能否根据磁场的特点和带电粒子在磁场中的运动规律来计算阴极射线的比荷？来计算阴极射线的比荷？qm屏屏幕幕 LD v0P1P2yqm屏屏幕幕 LDv0只要测出粒子打到屏上的速度方向只要测出粒子打到屏上的速度方向(与水平方向的夹角与水平方向的夹角 )P1P2ORy比荷求法比荷求法1. 用用“电偏转电偏转”测定阴极射线比荷的表达式测定阴极射线比荷的表达式2. 用用“磁偏转磁偏转”测定阴极射线比荷的表达式测定阴极射线比荷的表达式 汤汤姆姆生生发发现现，用用不不同同材材料料的的阴阴极极和和不不同同的的方方法法做做实实验验，所所得得比比荷荷的的数数值值是是相相等等的的。这这说说明明，这这种种粒粒子子是是构构成成各各种种物物质质的的共共有有成成分分。由由实实验验测测得得的的阴阴极极射射线线粒粒子子的的比比荷荷是是氢氢离离子子比比荷荷的的近近两两千千倍倍。若若这这种种粒粒子子的的电电荷荷量量与与氢氢离离子子的的电电荷荷量量相相同同，则则其其质质量量约约为为氢氢离离子子质质量量的的近近两两千千分分之之一一。汤汤姆姆孙孙后后续续的的实实验验粗粗略略测测出出了了这这种种粒粒子子的的电电荷荷量量确确实实与与氢氢离离子子的的电电荷荷量量差差别别不不大大，证证明明了了他他当当初初的的猜猜测测是是正正确确的的。后后来来，物物理理学学家家把把新新发现的这种组成阴极射线的粒子称之为发现的这种组成阴极射线的粒子称之为电子电子。 电子的发现具有伟大的意义，因为这一事件使电子的发现具有伟大的意义，因为这一事件使人们认识到自然界还有比原子更小的实物。电子的人们认识到自然界还有比原子更小的实物。电子的发现打开了通向原子物理学的大门发现打开了通向原子物理学的大门 , ,人们开始研究人们开始研究原子的结构。原子的结构。 汤姆孙被科学界誉为汤姆孙被科学界誉为“一位最先打开通向基本一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人粒子物理学大门的伟人”。 电子的电荷量是多少？由谁测量出的？电子电子的电荷量是多少？由谁测量出的？电子电子的电荷量是多少？由谁测量出的？电子电子的电荷量是多少？由谁测量出的？电子电量的发现说明了什么？电量的发现说明了什么？电量的发现说明了什么？电量的发现说明了什么？ 第一次较为精确测量出电子电荷量的是美国物理学第一次较为精确测量出电子电荷量的是美国物理学家家密立根密立根利用利用油滴实验油滴实验测量出的。测量出的。三、密立根油滴实验三、密立根油滴实验1. 阴极射线阴极射线2. 电子的发现电子的发现比荷的两种求法比荷的两种求法3. 密立根油滴实验密立根油滴实验1. 一只阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方，一只阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方，放一通电直导线放一通电直导线 AB 时，发现射线径迹向下偏，则时，发现射线径迹向下偏，则 ( ) A. 导线中的电流由导线中的电流由 A 流向流向 B B. 导线中的电流由导线中的电流由 B 流向流向 A C. 若要使电子束的径迹往上偏，可以通过改变若要使电子束的径迹往上偏，可以通过改变 AB 中的电流中的电流 方向来实现方向来实现 D. 电子束的径迹与电子束的径迹与 AB 中的电流方向无关中的电流方向无关ABBC 2. 有一电子有一电子(电荷量为电荷量为 e )经电压为经电压为 U0 的电场加速后，的电场加速后，进入两块间距为进入两块间距为 d，电压为，电压为 U 的平行金属板间，若电的平行金属板间，若电子从两板正中间垂直电场方向射入，且正好能穿过电子从两板正中间垂直电场方向射入，且正好能穿过电场，求：场，求：(1) 金属板金属板 AB 的长度的长度;(2) 电子穿出电场时的动能。电子穿出电场时的动能。+ABU0v0+(1)(2)