選修3-518.1電子的發(fā)現(xiàn)

1、第十八章第十八章 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu) 科學(xué)靠?jī)蓷l腿走路，一是理論，一是實(shí)科學(xué)靠?jī)蓷l腿走路，一是理論，一是實(shí)驗(yàn)。有時(shí)一條腿走在前面，有時(shí)另一條腿走驗(yàn)。有時(shí)一條腿走在前面，有時(shí)另一條腿走在前面。但只有使用兩條腿，才能前進(jìn)。在前面。但只有使用兩條腿，才能前進(jìn)。 密立根密立根 19 19世紀(jì)末，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了電子世紀(jì)末，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了電子, ,從而認(rèn)識(shí)到：原子從而認(rèn)識(shí)到：原子是可以分割的，是由更小的微粒組成的。那么電子是如何是可以分割的，是由更小的微粒組成的。那么電子是如何發(fā)現(xiàn)的呢？發(fā)現(xiàn)的呢？8 早在早在18581858年，德國(guó)物理學(xué)家普呂克爾利用低壓氣體放年，德國(guó)物理學(xué)家普呂克爾利用低壓氣體放電管研究

2、氣體放電時(shí)看到了玻璃壁上淡淡的熒光及管中物電管研究氣體放電時(shí)看到了玻璃壁上淡淡的熒光及管中物體在玻璃壁上的影。體在玻璃壁上的影。 18761876年另一位德國(guó)物理學(xué)家戈德斯坦認(rèn)為管壁上的熒光年另一位德國(guó)物理學(xué)家戈德斯坦認(rèn)為管壁上的熒光是由于玻璃受到陰極發(fā)出的某種射線(xiàn)的撞擊而引起的，并是由于玻璃受到陰極發(fā)出的某種射線(xiàn)的撞擊而引起的，并把這種射線(xiàn)命名為把這種射線(xiàn)命名為陰極射線(xiàn)。陰極射線(xiàn)。一、陰極射線(xiàn)一、陰極射線(xiàn)那么陰極射線(xiàn)到底是什么呢？那么陰極射線(xiàn)到底是什么呢？?jī)煞N觀(guān)點(diǎn)兩種觀(guān)點(diǎn)一種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為陰極射線(xiàn)像一種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為陰極射線(xiàn)像X X射線(xiàn)一樣是電磁輻射線(xiàn)一樣是電磁輻射射, ,代表人物赫茲；代表人物赫茲；另

3、一種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為陰極射線(xiàn)是帶電微粒，代表另一種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為陰極射線(xiàn)是帶電微粒，代表人物湯姆孫。人物湯姆孫。陰極射線(xiàn)陰極射線(xiàn) Cathode rayCathode rayJ.J J.J 湯姆孫湯姆孫J.J ThomsonJ.J Thomson1857 1857 19401940英國(guó)英國(guó)赫茲赫茲 H.RudolfH.Rudolf Hertz Hertz 1857 1857 18941894德國(guó)德國(guó) 思考與討論：思考與討論：根據(jù)帶電粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的運(yùn)根據(jù)帶電粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，哪些方法可以判斷運(yùn)動(dòng)的動(dòng)規(guī)律，哪些方法可以判斷運(yùn)動(dòng)的帶電粒子所帶電荷的正負(fù)號(hào)？帶電粒子所帶電荷的正負(fù)號(hào)？帶電粒子在電場(chǎng)

4、中的偏轉(zhuǎn)模型帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)模型VqEqEyYDLEdO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)模型帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)模型VLdqVBOr2dr. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B速度選擇器速度選擇器VqEqVBEEqvBqEvB二、電子的發(fā)現(xiàn)二、電子的發(fā)現(xiàn) 英國(guó)物理學(xué)家英國(guó)物理學(xué)家J.J.J.J.湯姆孫認(rèn)為陰極射線(xiàn)湯姆孫認(rèn)為陰極射線(xiàn)是帶電粒子流。為了證實(shí)這點(diǎn)，從是帶電粒子流。為了證實(shí)這點(diǎn)，從

5、18901890年起年起他進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究。確認(rèn)陰極射線(xiàn)是他進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究。確認(rèn)陰極射線(xiàn)是帶電的粒子帶電的粒子-電子。電子。 在真空度高的放電管中，陰極射線(xiàn)中的粒子主在真空度高的放電管中，陰極射線(xiàn)中的粒子主要來(lái)自陰極。對(duì)于真空度不高的放電管來(lái)說(shuō)，粒要來(lái)自陰極。對(duì)于真空度不高的放電管來(lái)說(shuō)，粒子還可能來(lái)自管中的氣體。子還可能來(lái)自管中的氣體。湯姆孫的氣體放電管的示意圖湯姆孫的氣體放電管的示意圖 帶電粒子的電荷量與其質(zhì)量之比帶電粒子的電荷量與其質(zhì)量之比比荷比荷q/mq/m，是一個(gè)重要的物理量。根據(jù)帶電粒子在電場(chǎng)和磁是一個(gè)重要的物理量。根據(jù)帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中受力的情況，可以得出組成陰極射線(xiàn)

6、的微粒場(chǎng)中受力的情況，可以得出組成陰極射線(xiàn)的微粒的比荷。建議你依照下面的提示自己算一算。的比荷。建議你依照下面的提示自己算一算。湯姆孫的氣體放電管的示意圖湯姆孫的氣體放電管的示意圖1 1、當(dāng)金屬板、當(dāng)金屬板D D1 1、D D2 2之間未加電場(chǎng)時(shí)，射線(xiàn)不偏轉(zhuǎn)，之間未加電場(chǎng)時(shí)，射線(xiàn)不偏轉(zhuǎn)，射在屏上射在屏上P P1 1點(diǎn)。按圖示方向施加電場(chǎng)點(diǎn)。按圖示方向施加電場(chǎng)E E之后，射線(xiàn)之后，射線(xiàn)發(fā)生偏轉(zhuǎn)并射到屏上發(fā)生偏轉(zhuǎn)并射到屏上P P2 2處。由此可以推斷陰極射處。由此可以推斷陰極射線(xiàn)帶有什么性質(zhì)的電荷？線(xiàn)帶有什么性質(zhì)的電荷？帶負(fù)電帶負(fù)電 湯姆孫的氣體放電管的示意圖湯姆孫的氣體放電管的示意圖2 2、為了

7、抵消陰極射線(xiàn)的偏轉(zhuǎn)，使它從、為了抵消陰極射線(xiàn)的偏轉(zhuǎn)，使它從P P2 2點(diǎn)回到點(diǎn)回到P P1 1，需要在兩塊金屬板之間的區(qū)域再施加一個(gè)大小、需要在兩塊金屬板之間的區(qū)域再施加一個(gè)大小、方向合適的磁場(chǎng)。方向合適的磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)的方向是？這個(gè)磁場(chǎng)的方向是？寫(xiě)出此時(shí)每個(gè)陰極射線(xiàn)微粒（質(zhì)量為寫(xiě)出此時(shí)每個(gè)陰極射線(xiàn)微粒（質(zhì)量為m m，速度為，速度為v v）受到的洛侖茲力和電場(chǎng)力。你能求出陰極射線(xiàn)的受到的洛侖茲力和電場(chǎng)力。你能求出陰極射線(xiàn)的速度速度v v的表達(dá)式嗎？的表達(dá)式嗎？垂直紙面向外垂直紙面向外F洛洛=qvB F電電=qE v=E/B湯姆孫的氣體放電管的示意圖湯姆孫的氣體放電管的示意圖3 3、由于金屬板、

8、由于金屬板D D1 1、D D2 2間的距離是已知的，兩板間間的距離是已知的，兩板間的電壓是可測(cè)量的，所以?xún)砂彘g的電場(chǎng)強(qiáng)度的電壓是可測(cè)量的，所以?xún)砂彘g的電場(chǎng)強(qiáng)度E E也是也是已知量。磁場(chǎng)由電流產(chǎn)生，磁感應(yīng)強(qiáng)度已知量。磁場(chǎng)由電流產(chǎn)生，磁感應(yīng)強(qiáng)度B B可以由電可以由電流的大小算出，同樣按已知量處理。流的大小算出，同樣按已知量處理。4 4、如果去掉、如果去掉D D1 1、D D2 2間的電場(chǎng)間的電場(chǎng)E E，只保留磁場(chǎng)，只保留磁場(chǎng)B B，磁，磁場(chǎng)方向與射線(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向垂直。陰極射線(xiàn)在有磁場(chǎng)場(chǎng)方向與射線(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向垂直。陰極射線(xiàn)在有磁場(chǎng)的區(qū)域?qū)?huì)形成一個(gè)半徑為的區(qū)域?qū)?huì)形成一個(gè)半徑為r r的圓弧，使得陰極射的圓

9、弧，使得陰極射線(xiàn)落在屏的線(xiàn)落在屏的P P3 3點(diǎn)。此時(shí)，組成陰極射線(xiàn)的粒子做圓點(diǎn)。此時(shí)，組成陰極射線(xiàn)的粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力就是洛倫茲力。半徑周運(yùn)動(dòng)的向心力就是洛倫茲力。半徑r r可以通過(guò)可以通過(guò)P P3 3點(diǎn)的位置及放電管的幾何參數(shù)算出，同樣按已知點(diǎn)的位置及放電管的幾何參數(shù)算出，同樣按已知量處理。這樣我們就可以寫(xiě)出量處理。這樣我們就可以寫(xiě)出q/mq/m的表達(dá)式了。的表達(dá)式了。湯姆孫的氣體放電管的示意圖湯姆孫的氣體放電管的示意圖實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)驗(yàn)結(jié)論 18971897年，湯姆孫得出陰極射線(xiàn)的本質(zhì)是帶負(fù)年，湯姆孫得出陰極射線(xiàn)的本質(zhì)是帶負(fù)電的粒子流并求出了這種粒子的比荷。電的粒子流并求出了這種粒子的比荷

10、。rdBUrBEmq22 當(dāng)湯姆孫在測(cè)定比荷實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，用不同材當(dāng)湯姆孫在測(cè)定比荷實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，用不同材料的陰極做實(shí)驗(yàn)，所發(fā)出射線(xiàn)的粒子都有相同的料的陰極做實(shí)驗(yàn)，所發(fā)出射線(xiàn)的粒子都有相同的比荷，這表明什么？比荷，這表明什么？ 這說(shuō)明不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，這說(shuō)明不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，它是它是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分。另外由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的陰極射線(xiàn)粒子的另外由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的陰極射線(xiàn)粒子的比荷是氫離子比荷是氫離子比荷的近兩千倍。是電荷量比質(zhì)子大？還是質(zhì)量比荷的近兩千倍。是電荷量比質(zhì)子大？還是質(zhì)量比質(zhì)子??？比質(zhì)子??？湯姆孫猜測(cè)湯姆孫猜測(cè): :這可能表示陰極射線(xiàn)粒子電荷量的大這可

11、能表示陰極射線(xiàn)粒子電荷量的大小與一個(gè)氫離子一樣，而質(zhì)量比氫離子小得多。小與一個(gè)氫離子一樣，而質(zhì)量比氫離子小得多。 后來(lái)湯姆孫直接測(cè)得了這種粒子的電荷量與氫后來(lái)湯姆孫直接測(cè)得了這種粒子的電荷量與氫離子電荷量大致相同，由此可以看出他當(dāng)初的猜離子電荷量大致相同，由此可以看出他當(dāng)初的猜測(cè)是正確的。后來(lái)陰極射線(xiàn)的粒子被稱(chēng)為測(cè)是正確的。后來(lái)陰極射線(xiàn)的粒子被稱(chēng)為電子。電子。電子的發(fā)現(xiàn)是電子的發(fā)現(xiàn)是1919世紀(jì)末的三大著名發(fā)現(xiàn)之一世紀(jì)末的三大著名發(fā)現(xiàn)之一（X X射線(xiàn)和放射現(xiàn)象）射線(xiàn)和放射現(xiàn)象）正離子的轟擊正離子的轟擊紫外線(xiàn)照射紫外線(xiàn)照射放射性物質(zhì)放射性物質(zhì)陰極射線(xiàn)陰極射線(xiàn)光電流光電流射線(xiàn)射線(xiàn)金屬受熱金屬受熱熱

12、離子流熱離子流 進(jìn)一步拓展研究對(duì)象：用不同的材料做成進(jìn)一步拓展研究對(duì)象：用不同的材料做成的陰極做實(shí)驗(yàn)，做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、熱離子發(fā)的陰極做實(shí)驗(yàn)，做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、熱離子發(fā)射效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、射效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、射線(xiàn)（研究對(duì)象射線(xiàn)（研究對(duì)象普遍化普遍化）。）。 電子是原子的組成部分，是比原子更基電子是原子的組成部分，是比原子更基本的物質(zhì)單元。本的物質(zhì)單元。J.J J.J 湯姆孫湯姆孫( (英國(guó)英國(guó)) )1857 1857 19401940 18891889年年4 4月月3030日，日，J.J.J.J.湯湯姆孫正式宣布發(fā)現(xiàn)電子姆孫正式宣布發(fā)現(xiàn)電子; ;電子的發(fā)現(xiàn)，結(jié)束了關(guān)于電子的發(fā)現(xiàn)，結(jié)束了關(guān)于陰極射線(xiàn)本質(zhì)的爭(zhēng)論陰極射

13、線(xiàn)本質(zhì)的爭(zhēng)論; ; 從此，人類(lèi)意識(shí)到，原從此，人類(lèi)意識(shí)到，原子并不是組成物質(zhì)的最小子并不是組成物質(zhì)的最小單位，探索原子結(jié)構(gòu)的序單位，探索原子結(jié)構(gòu)的序幕由此拉開(kāi)幕由此拉開(kāi) 由于由于J.J.J.J.湯姆孫的杰出湯姆孫的杰出貢獻(xiàn)，貢獻(xiàn)，19061906年他獲得諾貝年他獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 電子的發(fā)現(xiàn)具有偉大的意義，因電子的發(fā)現(xiàn)具有偉大的意義，因?yàn)檫@一事件使人們認(rèn)識(shí)到自然界還為這一事件使人們認(rèn)識(shí)到自然界還有比原子更小的實(shí)物。電子的發(fā)現(xiàn)有比原子更小的實(shí)物。電子的發(fā)現(xiàn)打開(kāi)了通向原子物理學(xué)的大門(mén)打開(kāi)了通向原子物理學(xué)的大門(mén) , ,人人們開(kāi)始研究原子的結(jié)構(gòu)們開(kāi)始研究原子的結(jié)構(gòu) 。 他被科學(xué)界譽(yù)為他被

14、科學(xué)界譽(yù)為“一位最先打開(kāi)一位最先打開(kāi)通向基本粒子物理學(xué)大門(mén)的偉人通向基本粒子物理學(xué)大門(mén)的偉人”密立根油滴實(shí)驗(yàn)密立根油滴實(shí)驗(yàn)密立根密立根 ( (美國(guó)美國(guó)) )Robert A.MillikaRobert A.Millika18681868年年19531953年年美國(guó)科學(xué)家美國(guó)科學(xué)家密立根密立根通過(guò)著名的通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)油滴實(shí)驗(yàn)精確地測(cè)定了電子的電量精確地測(cè)定了電子的電量Ce19104960217733. 1）（根據(jù)荷質(zhì)比，可以精確地計(jì)算出電根據(jù)荷質(zhì)比，可以精確地計(jì)算出電子的質(zhì)量為：子的質(zhì)量為：m me e=9.1094=9.109410103131 kg kg1836pemm質(zhì)子質(zhì)量與電子質(zhì)量

15、的比值：質(zhì)子質(zhì)量與電子質(zhì)量的比值：密立根實(shí)驗(yàn)更重要的發(fā)現(xiàn)是：密立根實(shí)驗(yàn)更重要的發(fā)現(xiàn)是：電荷電荷是量子化的，即任何帶電體的電荷是量子化的，即任何帶電體的電荷只能是只能是e e的整數(shù)倍的整數(shù)倍1 1關(guān)于陰極射線(xiàn)的本質(zhì)，下列關(guān)于陰極射線(xiàn)的本質(zhì)，下列說(shuō)法正確的是（說(shuō)法正確的是（ ）A A陰極射線(xiàn)的本質(zhì)是氫原子陰極射線(xiàn)的本質(zhì)是氫原子 B B陰極射線(xiàn)的本質(zhì)是電磁波陰極射線(xiàn)的本質(zhì)是電磁波C C陰極射線(xiàn)的本質(zhì)是電子陰極射線(xiàn)的本質(zhì)是電子 D D陰極射線(xiàn)的本質(zhì)是陰極射線(xiàn)的本質(zhì)是X X射線(xiàn)射線(xiàn)C2關(guān)于密立根關(guān)于密立根“油滴實(shí)驗(yàn)油滴實(shí)驗(yàn)”的科學(xué)意的科學(xué)意義，下列說(shuō)法正確的是義，下列說(shuō)法正確的是() A證明電子是原子的組成部分，是證明電子是原子的組成部分，是比原子更基本的物質(zhì)單元比原子更基本的物質(zhì)單元 B提出了電荷分布的量子化觀(guān)念提出了電荷分布的量子化觀(guān)念 C證明了電子在原子核外繞核轉(zhuǎn)動(dòng)證明了電子在原子核外繞核轉(zhuǎn)動(dòng) D為電子質(zhì)量的最終獲得做出了突為電子質(zhì)量的最終獲得做出了突出貢獻(xiàn)出貢獻(xiàn) BD3關(guān)于陰極射線(xiàn)的性質(zhì)，下列說(shuō)法關(guān)于陰極射線(xiàn)的性質(zhì)，下列說(shuō)法正確的是（正確的是（ ）A陰極射線(xiàn)帶負(fù)電陰極射線(xiàn)帶負(fù)電 B陰極射線(xiàn)帶正電陰極射線(xiàn)帶正電C陰極射線(xiàn)的荷質(zhì)比比氫原子