1、物理選修物理選修3-5 3-5 第十八章第十八章 原子的結構原子的結構 科學靠兩條腿走路，一是理論，一是科學靠兩條腿走路，一是理論，一是實驗。有時一條腿走在前面，有時另一條實驗。有時一條腿走在前面，有時另一條腿走在前面。但只有使用兩條腿，才能前腿走在前面。但只有使用兩條腿，才能前進。進。 密立根密立根這美麗的燈光背后蘊含著怎樣的物理規律呢？這美麗的燈光背后蘊含著怎樣的物理規律呢？第一節第一節 電子的發現電子的發現物理選修物理選修3-5 3-5 第十八章第十八章 原子的結構原子的結構 19 19世紀末，在對氣體放電現象的研究中，科學家世紀末，在對氣體放電現象的研究中，科學家發現了電子。發現了電子

2、。原子是可以分割的，是由更小的微粒組成的。原子是可以分割的，是由更小的微粒組成的。 早在早在18581858年，德國物理學家普呂克爾利用低壓氣年，德國物理學家普呂克爾利用低壓氣體放電管研究氣體放電時發現一種奇特的現象。體放電管研究氣體放電時發現一種奇特的現象。 1876 1876年德國物理學家戈德斯坦研究后命名為年德國物理學家戈德斯坦研究后命名為陰極射線陰極射線陰極射線陰極射線陰極射線的本質陰極射線的本質一種認為陰極射線像一種認為陰極射線像X射線一樣是電磁輻射射線一樣是電磁輻射一種認為陰極射線一種認為陰極射線是帶電微粒是帶電微粒思考思考1：電磁輻射和帶電微粒最大的區別是什么？：電磁輻射和帶電微

3、粒最大的區別是什么？思考思考2：根據帶電粒子在電磁場中的運動規律，你根據帶電粒子在電磁場中的運動規律，你知道哪些方法可以判斷運動的帶電粒子所帶電荷知道哪些方法可以判斷運動的帶電粒子所帶電荷的正負號？的正負號？ 英國物理學家英國物理學家J.J.J.J.湯姆孫湯姆孫自自18901890年起開始研究，年起開始研究，對陰極射線對陰極射線進行了進行了一系列的實驗研究。他認為陰極射線是帶電粒子流。一系列的實驗研究。他認為陰極射線是帶電粒子流。實驗驗證實驗驗證 在真空度高的放電管中，陰極射線中的粒子主要在真空度高的放電管中，陰極射線中的粒子主要來自陰極。對于真空度不高的放電管來說，粒子還可來自陰極。對于真空

4、度不高的放電管來說，粒子還可能來自管中的氣體。能來自管中的氣體。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量之比帶電粒子的電荷量與其質量之比比荷比荷q/m，是一個重要的物理量。根據帶電粒子在電場和磁場中是一個重要的物理量。根據帶電粒子在電場和磁場中受力的情況，可以得出組成陰極射線的微粒的比荷。受力的情況，可以得出組成陰極射線的微粒的比荷。建議你依照下面的提示自己算一算。建議你依照下面的提示自己算一算。n1. 當金屬板當金屬板D1、D2之間未加電場時，射線不偏轉，之間未加電場時，射線不偏轉，射在屏上射在屏上P1點。施加電場點。施加電場E之后，射線發生偏轉之后，射

5、線發生偏轉并射到屏上并射到屏上P2處。由此可以推斷陰極射線帶有什處。由此可以推斷陰極射線帶有什么性質的電荷？么性質的電荷？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. 如果要抵消陰極射線的偏轉，使它從如果要抵消陰極射線的偏轉，使它從P2點回到點回到 P1，需要在兩塊金屬板之間的區域再施加一個大，需要在兩塊金屬板之間的區域再施加一個大 小、方向合適的磁場。小、方向合適的磁場。 這個磁場的方向是？這個磁場的方向是？ 寫出此時每個陰極射線微粒（質量為寫出此時每個陰極射線微粒（質量為m，速度為，速度為 v） 受到的洛侖茲力和電場力。你能求出陰極射線受到的洛侖茲力和電場力。你能求出陰極射線

6、的速度的速度v的表達式嗎？的表達式嗎？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n3.由于金屬板由于金屬板D、F間的距離是已知的，兩板間的間的距離是已知的，兩板間的電壓是可測量的，所以兩板間的電場強度電壓是可測量的，所以兩板間的電場強度E也是也是已知量已知量E=?。磁感應強度。磁感應強度B可以由電流的大小算出，可以由電流的大小算出，同樣按已知量處理。同樣按已知量處理。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4. 如果去掉如果去掉D1、D2間的電場間的電場E，只保留磁場，只保留磁場B，磁場方向與射線運動方向垂直。陰極射線在有磁場方向與射線運動方向垂直。陰極射線在有磁場的區域

7、將會形成一個半徑為磁場的區域將會形成一個半徑為r的圓弧的圓弧(r可以可以通過通過P3的位置算出的位置算出) 。此時，組成陰極射線的粒。此時，組成陰極射線的粒子做圓周運動的向心力就是子做圓周運動的向心力就是_力。力。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驗結論實驗結論 1897 1897年，湯姆孫得出陰極射線的本質是帶負電的粒子年，湯姆孫得出陰極射線的本質是帶負電的粒子流并求出了這種粒子的比荷。流并求出了這種粒子的比荷。rdBUrBEmq22 當湯姆孫在測定比荷實驗時發現，用不同材料的陰極做當湯姆孫在測定比荷實驗時發現，用不同材料的陰極做實驗，所發出射線的粒子都有相同的比荷，這表

8、明什么？實驗，所發出射線的粒子都有相同的比荷，這表明什么？ 這說明不同物質都能發射這種帶電粒子，它是構成各種這說明不同物質都能發射這種帶電粒子，它是構成各種物質的物質的共有成分共有成分。 荷質比約為質子（氫離子）比荷的荷質比約為質子（氫離子）比荷的20002000倍。是倍。是電荷比質子大？還是質量比質子小？電荷比質子大？還是質量比質子小？ 湯姆孫猜測：這可能表示陰極射線粒子電荷量湯姆孫猜測：這可能表示陰極射線粒子電荷量的大小與一個氫離子一樣，而質量比氫離子小得的大小與一個氫離子一樣，而質量比氫離子小得多。多。 后來湯姆孫測得了這種粒子的電荷量與氫離子后來湯姆孫測得了這種粒子的電荷量與氫離子電荷

9、量大致相同，由此可以看出他當初的猜測是電荷量大致相同，由此可以看出他當初的猜測是正確的。后來陰極射線的粒子被稱為正確的。后來陰極射線的粒子被稱為電子電子實驗結論分析實驗結論分析 進一步拓展研究對象：用不同的材料做成的進一步拓展研究對象：用不同的材料做成的陰極做實驗，做光電效應實驗、熱離子發射效應陰極做實驗，做光電效應實驗、熱離子發射效應實驗、實驗、射線（研究對象射線（研究對象普遍化普遍化）。）。 電子是原子的組成部分，是比原子電子是原子的組成部分，是比原子更基本的物質單元。更基本的物質單元。電子電子 美國科學家美國科學家密立根密立根又精確地測定了電子的電量：又精確地測定了電子的電量： e=1.

10、6022e=1.602210101919 C C 根據荷質比，可以精確地計算出電子的質量為：根據荷質比，可以精確地計算出電子的質量為： m=9.1094m=9.109410103131 kg kg1836pemm質子質量與電子質量的比值：質子質量與電子質量的比值： 在科學研究中只做實驗是不在科學研究中只做實驗是不夠的，創造性的發現需要深刻的洞夠的，創造性的發現需要深刻的洞察力。察力。習題習題1 1：如圖，在兩平行板間有平行的均勻電如圖，在兩平行板間有平行的均勻電場場E E，勻強磁場，勻強磁場B B。MNMN是熒光屏，中心為是熒光屏，中心為O O，OOOO=L=L，在熒光屏上建立一個坐標系，原點

11、是，在熒光屏上建立一個坐標系，原點是O O，y y軸向上，軸向上，x x軸垂直紙面向外，一束速度軸垂直紙面向外，一束速度、荷質荷質比相同的粒子沿比相同的粒子沿OOOO方向從方向從O O射入，打在射入，打在屏上屏上P P（- - ）點，求：）點，求：（1 1）粒子帶何種電荷？）粒子帶何種電荷？（2 2）B B的方向？的方向？（3 3）粒子的荷質比？）粒子的荷質比？3,36LLO OO OM MN N思考與研討思考與研討習題習題2 2：示波管中電子槍的原理圖如圖。管內為空，示波管中電子槍的原理圖如圖。管內為空，A A為發射熱電子的陰極，為發射熱電子的陰極，K K為接在高電勢點的加速陽極，為接在高電勢點的加速陽極，A A、K K間電壓為間電壓為U U。電子離開陰極是速度可以忽略，電。電子離開陰極是速度可以忽略，電子經加速后從子經加速后從K K的小孔中射出時的速度大小為的小孔中射出時的速度大小為v v，下面，下面說法正確的是：說法正確的是：( ) ( ) A A、如果、如果A A、K K間距離減半，電壓間距離減半，電壓U U、不變，則離開時速率變為不變，則離開時速率變為2v 2v B B、如果、如果A A、K K間距離減半，