18.1 电子的发现电子的发现新课标高中物理选修新课标高中物理选修3 35 5第十八章第十八章 原子结构原子结构世间万物是由原子构成的世间万物是由原子构成的世间万物是由原子构成的世间万物是由原子构成的原子是一种最后的不可分割的物质微粒原子是一种最后的不可分割的物质微粒原子是一种最后的不可分割的物质微粒原子是一种最后的不可分割的物质微粒 德谟克利特德谟克利特德谟克利特德谟克利特Democritus Democritus Democritus Democritus 古希腊哲学家古希腊哲学家古希腊哲学家古希腊哲学家约前约前约前约前460460460460前前前前370 370 370 370 道尔顿道尔顿道尔顿道尔顿英国化学家英国化学家英国化学家英国化学家1766-1844 1766-1844 1766-1844 1766-1844 每种化学元素都有它对应的原子每种化学元素都有它对应的原子每种化学元素都有它对应的原子每种化学元素都有它对应的原子原子是最微小的不可分割的实心球体原子是最微小的不可分割的实心球体原子是最微小的不可分割的实心球体原子是最微小的不可分割的实心球体 汤姆生发现电子之汤姆生发现电子之前人们认为原子是组前人们认为原子是组成物体的最小微粒成物体的最小微粒, ,是是不可再分的不可再分的. .汤姆生对汤姆生对阴极射线等现象的研阴极射线等现象的研究中发现了电子究中发现了电子, ,从而从而敲开了原子的大门敲开了原子的大门. .汤姆生的伟大发现汤姆生的伟大发现一、探索阴极射线一、探索阴极射线19191919世纪是电磁学大发展的时期世纪是电磁学大发展的时期世纪是电磁学大发展的时期世纪是电磁学大发展的时期, , , , 到七、到七、到七、到七、八十年代电气工业开始有了发展八十年代电气工业开始有了发展八十年代电气工业开始有了发展八十年代电气工业开始有了发展, , , , 其其其其中电气照明也吸引了许多科学家的注中电气照明也吸引了许多科学家的注中电气照明也吸引了许多科学家的注中电气照明也吸引了许多科学家的注意，问题涉及低压气体放电现象，于意，问题涉及低压气体放电现象，于意，问题涉及低压气体放电现象，于意，问题涉及低压气体放电现象，于是，人们竞相研究与低压气体发电现是，人们竞相研究与低压气体发电现是，人们竞相研究与低压气体发电现是，人们竞相研究与低压气体发电现象有关的问题。象有关的问题。象有关的问题。象有关的问题。 阴极射线阴极射线阴极射线阴极射线是低压气体放电过程中出现是低压气体放电过程中出现是低压气体放电过程中出现是低压气体放电过程中出现的一种奇特现象，德国物理学家的一种奇特现象，德国物理学家的一种奇特现象，德国物理学家的一种奇特现象，德国物理学家J.J.J.J.普普普普吕克尔吕克尔吕克尔吕克尔在在在在1858185818581858年利用低压气体放电管年利用低压气体放电管年利用低压气体放电管年利用低压气体放电管研究气体放电时发现的研究气体放电时发现的研究气体放电时发现的研究气体放电时发现的 . . . .从低压气体从低压气体从低压气体从低压气体放电管阴极发出一种射线。放电管阴极发出一种射线。放电管阴极发出一种射线。放电管阴极发出一种射线。 1876 1876 1876 1876年德国物理学家年德国物理学家年德国物理学家年德国物理学家戈德斯坦戈德斯坦戈德斯坦戈德斯坦研究辉光放电现象时认为研究辉光放电现象时认为研究辉光放电现象时认为研究辉光放电现象时认为这是从阴极发出的某种射线引起的。所以他把这种末知射这是从阴极发出的某种射线引起的。所以他把这种末知射这是从阴极发出的某种射线引起的。所以他把这种末知射这是从阴极发出的某种射线引起的。所以他把这种末知射线命名为线命名为线命名为线命名为阴极射线阴极射线阴极射线阴极射线阴极射线是什么呢？阴极射线是什么呢？阴极射线是什么呢？阴极射线是什么呢？k kA AB BD2D2P2P2p1p1p3p3D D1 1二、电子的发现二、电子的发现1 1 1 1、认识实验装置的作用，分析阴极射线的运动情况。、认识实验装置的作用，分析阴极射线的运动情况。、认识实验装置的作用，分析阴极射线的运动情况。、认识实验装置的作用，分析阴极射线的运动情况。汤姆孙的气体放电管的示意图汤姆孙的气体放电管的示意图实验装置实验装置实验装置实验装置（1 1）KK、A A部分产生阴极射线部分产生阴极射线部分产生阴极射线部分产生阴极射线（2 2）A A、B B只让水平运动的阴极射线通过只让水平运动的阴极射线通过只让水平运动的阴极射线通过只让水平运动的阴极射线通过（3 3）D D1 1、D D2 2之间加电场或磁场检测阴极射线是否带电和之间加电场或磁场检测阴极射线是否带电和之间加电场或磁场检测阴极射线是否带电和之间加电场或磁场检测阴极射线是否带电和带电性质带电性质带电性质带电性质（4 4）荧光屏显示阴极射线到达的位置，对阴极射线的偏）荧光屏显示阴极射线到达的位置，对阴极射线的偏）荧光屏显示阴极射线到达的位置，对阴极射线的偏）荧光屏显示阴极射线到达的位置，对阴极射线的偏转做定量的测定转做定量的测定转做定量的测定转做定量的测定2 2 2 2、运动分析、运动分析、运动分析、运动分析（1 1 1 1）未加电场和磁场时；）未加电场和磁场时；）未加电场和磁场时；）未加电场和磁场时；阴极射线不受力，做匀速直线运动到阴极射线不受力，做匀速直线运动到阴极射线不受力，做匀速直线运动到阴极射线不受力，做匀速直线运动到P P1 1k kA AB BD2D2p1p1D D1 1（2 2 2 2）加电场、未加磁场）加电场、未加磁场）加电场、未加磁场）加电场、未加磁场+ +- -P2P2P2P2阴极射线只受电场力，做类平抛运动；阴极射线只受电场力，做类平抛运动；阴极射线只受电场力，做类平抛运动；阴极射线只受电场力，做类平抛运动；(4)(4)(4)(4)加磁场、未加电场时，加磁场、未加电场时，加磁场、未加电场时，加磁场、未加电场时，（3 3 3 3）加电场和磁场时，）加电场和磁场时，）加电场和磁场时，）加电场和磁场时，k kA AB BD2D2p1p1D D1 1+ +- -可以测出速度大小可以测出速度大小可以测出速度大小可以测出速度大小阴极射线受库仑力和洛伦兹力，通过适当地调整电场、阴极射线受库仑力和洛伦兹力，通过适当地调整电场、阴极射线受库仑力和洛伦兹力，通过适当地调整电场、阴极射线受库仑力和洛伦兹力，通过适当地调整电场、磁场的强度，可使其做匀速直线运动；磁场的强度，可使其做匀速直线运动；磁场的强度，可使其做匀速直线运动；磁场的强度，可使其做匀速直线运动；在平行板间产生竖直在平行板间产生竖直向上的电场向上的电场E,E,在垂直在垂直电场向外的方向上加电场向外的方向上加一磁场一磁场B,B,阴极射线只受洛伦兹力作用，阴极射线只受洛伦兹力作用，阴极射线只受洛伦兹力作用，阴极射线只受洛伦兹力作用，做匀速圆周运动。做匀速圆周运动。做匀速圆周运动。做匀速圆周运动。 1897 1897 1897 1897年，汤姆孙得出年，汤姆孙得出年，汤姆孙得出年，汤姆孙得出阴极射线的本质是带负电的粒阴极射线的本质是带负电的粒阴极射线的本质是带负电的粒阴极射线的本质是带负电的粒子流并求出了这种粒子的比荷。子流并求出了这种粒子的比荷。子流并求出了这种粒子的比荷。子流并求出了这种粒子的比荷。 这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的种物质的种物质的种物质的共有成分共有成分共有成分共有成分。实验结果实验结果实验结果实验结果：比荷约为质子的：比荷约为质子的：比荷约为质子的：比荷约为质子的2000200020002000倍倍倍倍 进一步拓展研究对象：用不同的材料做阴极做实验，进一步拓展研究对象：用不同的材料做阴极做实验，进一步拓展研究对象：用不同的材料做阴极做实验，进一步拓展研究对象：用不同的材料做阴极做实验，光电效应、热离子发射效应、射线（研究对象光电效应、热离子发射效应、射线（研究对象光电效应、热离子发射效应、射线（研究对象光电效应、热离子发射效应、射线（研究对象普遍化普遍化普遍化普遍化）。）。）。）。实验结论实验结论实验结论实验结论：电子是原子的组成部分，是比原子更基本的：电子是原子的组成部分，是比原子更基本的：电子是原子的组成部分，是比原子更基本的：电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。物质单元。物质单元。物质单元。 比荷约为质子（氢离子）比荷的比荷约为质子（氢离子）比荷的比荷约为质子（氢离子）比荷的比荷约为质子（氢离子）比荷的2000200020002000倍。是电荷比倍。是电荷比倍。是电荷比倍。是电荷比质子大？还是质量比质子小？质子大？还是质量比质子小？质子大？还是质量比质子小？质子大？还是质量比质子小？ 汤姆孙猜测：这可能表示阴极射线粒子电荷量的汤姆孙猜测：这可能表示阴极射线粒子电荷量的汤姆孙猜测：这可能表示阴极射线粒子电荷量的汤姆孙猜测：这可能表示阴极射线粒子电荷量的大小与一个氢离子一样，而质量比氢离子小得多。大小与一个氢离子一样，而质量比氢离子小得多。大小与一个氢离子一样，而质量比氢离子小得多。大小与一个氢离子一样，而质量比氢离子小得多。 后来汤姆孙测得了这种粒子的电荷量与氢离子电荷后来汤姆孙测得了这种粒子的电荷量与氢离子电荷后来汤姆孙测得了这种粒子的电荷量与氢离子电荷后来汤姆孙测得了这种粒子的电荷量与氢离子电荷量大致相同，量大致相同，量大致相同，量大致相同，说明它的质量比任何一种分子和原子的质说明它的质量比任何一种分子和原子的质说明它的质量比任何一种分子和原子的质说明它的质量比任何一种分子和原子的质量都小得多，至此，汤姆生完全确认了电子的存在。量都小得多，至此，汤姆生完全确认了电子的存在。量都小得多，至此，汤姆生完全确认了电子的存在。量都小得多，至此，汤姆生完全确认了电子的存在。后后后后来阴极射线的粒子被称为来阴极射线的粒子被称为来阴极射线的粒子被称为来阴极射线的粒子被称为电子电子电子电子3 3、实验结论分析、实验结论分析、实验结论分析、实验结论分析J.J J.J 汤姆孙汤姆孙汤姆孙汤姆孙( (英国英国英国英国) )1857185719401940 1889 1889年年4 4月月3030日，日，J.J.J.J.汤姆汤姆孙正式宣布发现电子孙正式宣布发现电子; ; 电子的发现，结束了关于电子的发现，结束了关于阴极射线本质的争论阴极射线本质的争论; ; 从此，人类意识到，原子从此，人类意识到，原子并不是组成物质的最小单位，并不是组成物质的最小单位，探索原子结构的序幕由此拉开探索原子结构的序幕由此拉开 由于由于J.J.J.J.汤姆生的杰出贡汤姆生的杰出贡献，献，19061906年他获得诺贝尔物理年他获得诺贝尔物理学奖。学奖。 密立根密立根密立根密立根( (美国美国美国美国) )18681868年年年年19531953年年年年三、电子电量的精确测量三、电子电量的精确测量密立根油滴实验密立根油滴实验12122021/6/302021/6/30喷雾器喷雾器喷雾器喷雾器E Emgmgx xF F阻阻阻阻F F电电电电油滴油滴油滴油滴A AB B显微镜显微镜显微镜显微镜密立根油滴实验的原理图密立根油滴实验的原理图密立根密立根密立根密立根实验实验的原理的原理的原理的原理a a如如如如图图所所所所示示示示，两两两两块块平平平平行行行行放放放放置置置置的的的的水水水水平平平平金金金金属属属属板板板板A A、B B与与与与电电源源源源相相相相连连接接接接，使使使使A A板板板板带带正正正正电电，B B板板板板带带负负电电从从从从喷喷雾雾器器器器喷喷嘴嘴嘴嘴喷喷出出出出的的的的小小小小油油油油滴滴滴滴经经上上上上面面面面的的的的金金金金属属属属板板板板中中中中间间的的的的小小小小孔，落到两板之孔，落到两板之孔，落到两板之孔，落到两板之间间的匀的匀的匀的匀强强强强电场电场中中中中他测定了数千个带电油滴的电量，发现这些电量都是某他测定了数千个带电油滴的电量，发现这些电量都是某他测定了数千个带电油滴的电量，发现这些电量都是某他测定了数千个带电油滴的电量，发现这些电量都是某个最小电量的整数部，这个最小的电量就是电子的电量个最小电量的整数部，这个最小的电量就是电子的电量个最小电量的整数部，这个最小的电量就是电子的电量个最小电量的整数部，这个最小的电量就是电子的电量密立根测量出电子的电量：密立根测量出电子的电量： e=1.602210-19C根据比荷，可以精确地计算出电子的质根据比荷，可以精确地计算出电子的质量：量： m=9.109410-31kg质子质量与电子质量的比值：质子质量与电子质量的比值： 1.一只阴极射线管，左侧不断有电子射出，若一只阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方，放一通电直导线在管的正下方，放一通电直导线AB时，发现射时，发现射线径迹向下偏，则（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BB导线中的电流由导线中的电流由B流向流向AC若要使电子束的径迹往上偏，可以通过改若要使电子束的径迹往上偏，可以通过改变变AB中的电流方向来实现中的电流方向来实现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BABC2 2. .图为示波管中电子枪的原理示意图示波管内被抽成图为示波管中电子枪的原理示意图示波管内被抽成图为示波管中电子枪的原理示意图示波管内被抽成图为示波管中电子枪的原理示意图示波管内被抽成真空，真空，真空，真空，A A为发射热电子的阴极，为发射热电子的阴极，为发射热电子的阴极，为发射热电子的阴极，K K为接在高电势点的加速为接在高电势点的加速为接在高电势点的加速为接在高电势点的加速阳极，阳极，阳极，阳极，A A、K K间电压为间电压为间电压为间电压为U U. .电子离开阴极时的速度可以忽略，电子离开阴极时的速度可以忽略，电子离开阴极时的速度可以忽略，电子离开阴极时的速度可以忽略，电子经加速后从电子经加速后从电子经加速后从电子经加速后从K K的小孔中射出时的速度大小为的小孔中射出时的速度大小为的小孔中射出时的速度大小为的小孔中射出时的速度大小为v v. .下面的下面的下面的下面的说法中正确的是说法中正确的是说法中正确的是说法中正确的是( () )A A如果如果如果如果A A、K K间距离减半而电压仍为间距离减半而电压仍为间距离减半而电压仍为间距离减半而电压仍为U U不变，则电子离不变，则电子离不变，则电子离不变，则电子离开开开开K K时的速度变为时的速度变为时的速度变为时的速度变为2 2v vB B如果如果如果如果A A、K K间距离减半而电压仍为间距离减半而电压仍为间距离减半而电压仍为间距离减半而电压仍为U U不变，则电子离不变，则电子离不变，则电子离不变，则电子离开开开开K K时的速度仍为时的速度仍为时的速度仍为时的速度仍为v vC C如果如果如果如果A A、K K间距离保持不变而电压减半，则电子离间距离保持不变而电压减半，则电子离间距离保持不变而电压减半，则电子离间距离保持不变而电压减半，则电子离开开开开K K时的速度变为时的速度变为时的速度变为时的速度变为v/2v/2D D如果如果如果如果A A、K K间距离和电压都减半，则电子离开间距离和电压都减半，则电子离开间距离和电压都减半，则电子离开间距离和电压都减半，则电子离开K K时的时的时的时的速度变为速度变为速度变为速度变为v/4v/4B B 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！