1、物理选修物理选修3-5 3-5 第十八章第十八章 原子的结构原子的结构 科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验。有时一条腿走在科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验。有时一条腿走在前面，有时另一条腿走在前面。但只有使用两条腿，才能前进。前面，有时另一条腿走在前面。但只有使用两条腿，才能前进。密立根密立根18.1 18.1 电子的发现电子的发现学习目标：学习目标：1 1、知道、知道阴极射线阴极射线是由是由电子电子组成的，电子是原子的组成的，电子是原子的 组成部分组成部分，是比原子，是比原子更基本更基本的物质单元。的物质单元。2 2、体会电子的发现过程中、体会电子的发现过程中蕴含的科学方法蕴含的科学方
2、法。3 3、知道电荷是、知道电荷是量子化量子化的，即任何电荷只能是的，即任何电荷只能是e e的的 整数倍整数倍。4 4、领会电子的发现对揭示原子结构的重大、领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义意义。一、人类对物质结构研究的漫长之旅：一、人类对物质结构研究的漫长之旅：2 2、近代原子论：、近代原子论：1919世纪初世纪初，英国科学家，英国科学家道尔顿道尔顿提出近代原子提出近代原子学说，他认为原子是微小的不可分割的实心球体学说，他认为原子是微小的不可分割的实心球体,物质由原子物质由原子组成组成,原子不能被创造原子不能被创造,也不能被毁灭也不能被毁灭,在在化学变化化学变化中中原子不可原子不可分割分
3、割,他们的他们的性质性质在在化学反应中保持不变化学反应中保持不变。这一理论不仅为化。这一理论不仅为化学，也为物理学带来深远的影响。学，也为物理学带来深远的影响。1 1、古希腊原子论：、古希腊原子论：公元前公元前5 5世纪世纪，希腊哲学家，希腊哲学家德谟克利特德谟克利特等等人认为人认为 ：万物是由大量的、无限小的、不可分割的微粒构成：万物是由大量的、无限小的、不可分割的微粒构成的，即原子。的，即原子。1919世纪也是电磁学大发展的时期世纪也是电磁学大发展的时期,电气照明电气照明吸引了许多科学吸引了许多科学家的注意。人们竞相研究与家的注意。人们竞相研究与低压气体放电低压气体放电现象有关的问题。现象
4、有关的问题。早在早在18581858年，德国物理学家年，德国物理学家普吕克尔普吕克尔利用利用气体放电管气体放电管研究研究气体放电时发现一种奇特的现象：在玻璃管壁上看到气体放电时发现一种奇特的现象：在玻璃管壁上看到淡淡的荧淡淡的荧光光及管中及管中物体在玻璃壁上的影子物体在玻璃壁上的影子。18761876年德国物理学家年德国物理学家戈德斯坦戈德斯坦研究后认为：管壁上的荧光研究后认为：管壁上的荧光是受到阴极发出的是受到阴极发出的某种射线某种射线撞击而引起的，因此命名为撞击而引起的，因此命名为阴极射阴极射线。线。二、电子发现的起因二、电子发现的起因 有的物理学家把有的物理学家把阴极做的很大阴极做的很大
5、，在阴极和阳极之间放的，在阴极和阳极之间放的障碍物又障碍物又很小很小，结果发现管壁上出现了，结果发现管壁上出现了障碍物模糊的阴影障碍物模糊的阴影，即阴极射线发生了，即阴极射线发生了明显的衍射明显的衍射。这是。这是波的特点波的特点。物理学家。物理学家赫兹赫兹也做了大量的实验，也做了大量的实验，希望希望看到看到阴极射线在阴极射线在电场中偏转电场中偏转，但却，但却没看到没看到（原因是当时的阴极射线管（原因是当时的阴极射线管真空度不高，低真空是电导体，其中的静电场建立不起来）因此真空度不高，低真空是电导体，其中的静电场建立不起来）因此认为认为阴极射线是一种电磁波。阴极射线是一种电磁波。有的物理学家用有
6、的物理学家用点状点状的的阴极阴极发出阴极射线，并在阴极和阳极之间发出阴极射线，并在阴极和阳极之间放置障碍物进行试验，在产生荧光的管壁上就放置障碍物进行试验，在产生荧光的管壁上就出现障碍物清晰的影子出现障碍物清晰的影子，证明了阴极射线是证明了阴极射线是直线传播的直线传播的，并且根据阴极射线，并且根据阴极射线在磁场中偏转的事在磁场中偏转的事实实，提出阴极射线是由，提出阴极射线是由带电的带电的“微粒微粒”组成的组成的假说假说。对阴极射线的对阴极射线的本质本质存在两种观点存在两种观点的原因（阅读）的原因（阅读）赫兹赫兹 H.Rudolf Hertz H.Rudolf Hertz 1857 1857 1
7、8941894德国德国 认为阴极射线是一种认为阴极射线是一种“电磁波电磁波”J.J J.J 汤姆孙汤姆孙J.J ThomsonJ.J Thomson1857 1857 19401940英国英国认为阴极射线是一种认为阴极射线是一种“带电微粒带电微粒”实验装置：实验装置：气体放电管气体放电管由阴极由阴极C C发出的带电粒子通过小孔发出的带电粒子通过小孔ABAB形成一束形成一束细细的阴极射线细细的阴极射线，它穿过两片它穿过两片平行的金属板平行的金属板D D1 1D D2 2之间的空间，到达右端带有标尺之间的空间，到达右端带有标尺的荧光屏上的荧光屏上P P1 1点点汤姆孙的实验（电子发现的实验事实一）
8、汤姆孙的实验（电子发现的实验事实一）思考：思考：1 1、实验目的是什么？、实验目的是什么？2 2、判断阴极射线是否是带电粒子流的基本方法是什么？、判断阴极射线是否是带电粒子流的基本方法是什么？3 3、测阴极射线比荷的基本思路是怎样的？、测阴极射线比荷的基本思路是怎样的？4 4、哪些量可以当做已知量处理？、哪些量可以当做已知量处理？1 1、实验目的：实验目的：（1 1）判断阴极射线是否带电）判断阴极射线是否带电（2 2）如果阴极射线带电，则测出其比荷。）如果阴极射线带电，则测出其比荷。2 2、判断阴极射线是否是带电粒子流的基本方法是什么？判断阴极射线是否是带电粒子流的基本方法是什么？让带电粒子通
9、过让带电粒子通过电场电场或或磁场磁场，观察它，观察它是否偏转是否偏转。如果偏转如果偏转则则带电带电，否则不带电否则不带电。（1 1）先加电场）先加电场使阴极射线使阴极射线偏转偏转（2 2）再加磁场）再加磁场，调整电场磁场的强度，使阴极射线，调整电场磁场的强度，使阴极射线不偏转不偏转（3 3）每个阴极射线微粒受到的每个阴极射线微粒受到的库仑力等于洛伦兹力库仑力等于洛伦兹力，求出阴极射线的求出阴极射线的速度速度（4 4）只保留磁场）只保留磁场，阴极射线只，阴极射线只受洛伦兹力受洛伦兹力，做匀速圆周运动，做匀速圆周运动，再求再求比荷比荷4 4、哪些量可以当做已知量处理？哪些量可以当做已知量处理？场强
10、场强E E，磁感应强度，磁感应强度B B，圆周运动的半径，圆周运动的半径r r3 3、测阴极射线比荷的基本思路是怎样的？测阴极射线比荷的基本思路是怎样的？1.1.施加电场施加电场E E之后，射线发生偏转并射到屏上之后，射线发生偏转并射到屏上P P2 2处。由此可以推断阴极处。由此可以推断阴极射线带有射线带有什么性质的电荷什么性质的电荷？怎么判断怎么判断的？的？答：答：带带负负电，因为场强电，因为场强E E的方向的方向竖直向上竖直向上,而射线而射线向下偏向下偏，说明电，说明电场力场力F F的方向的方向竖直向下竖直向下，所以射线带负电。，所以射线带负电。2.2.再加磁场抵消阴极射线的偏转，使它从再
11、加磁场抵消阴极射线的偏转，使它从P P2 2点回到点回到 P P1 1，需要在两块金，需要在两块金 属板之间的区域再施加一个大小、方向合适的磁场。属板之间的区域再施加一个大小、方向合适的磁场。这个磁场的方向是？根据什么判断？这个磁场的方向是？根据什么判断？写出写出此时每个阴极射线微粒（质量为此时每个阴极射线微粒（质量为m m，速度为，速度为v v）受到的）受到的洛仑兹洛仑兹 力和电场力力和电场力。速度速度v v的表达式的表达式是什么？是什么？答：答：垂直于黑板面向外垂直于黑板面向外，用，用左手定则左手定则判断判断.VqEqVBD1D2F电电=qEF洛洛=qvB3 3、去掉去掉D D1 1、D
12、D2 2间的电场间的电场E E，只保留磁场，只保留磁场B B，阴极射线在有磁场的，阴极射线在有磁场的区域将会形成一个半径为区域将会形成一个半径为r r的圆弧的圆弧(r r可以通过可以通过P P3 3的位置算出的位置算出)。.BVLqVBOrqvBrvm2rBEmq2实验结论：实验结论：阴极射线阴极射线是带是带负负电的粒子流电的粒子流还可还可求出这种粒子的求出这种粒子的比荷比荷。dxyP P3 3P P1 1（实验事实二（实验事实二)汤姆孙还发现用汤姆孙还发现用不同材料不同材料的的阴极阴极做实验，比荷数做实验，比荷数值都相同。值都相同。说明：说明：不同物质不同物质都都能能发射这种带电粒子，它是发
13、射这种带电粒子，它是构成构成各种物质的共有成分各种物质的共有成分三、阴极射线的本质三、阴极射线的本质 1 1、阴极射线的、阴极射线的本质本质是是电子电子。2 2、电子电子是是原子原子的的组成部分组成部分，是比原子是比原子更基本的物质单元。更基本的物质单元。3 3、电子的、电子的电荷量电荷量与与氢离子氢离子的电荷量的电荷量相同。相同。（实验事实三）汤姆孙还由实验测得的（实验事实三）汤姆孙还由实验测得的阴极射线的阴极射线的比荷比荷是是氢离子的氢离子的比荷比荷近近20002000倍倍。后来，汤姆孙直接测到了。后来，汤姆孙直接测到了阴极射线粒子阴极射线粒子的的电荷量电荷量，尽管当时测量很不准确，但足以
14、证明这种粒子的尽管当时测量很不准确，但足以证明这种粒子的电荷量电荷量与与氢离子大氢离子大致相同致相同，质量质量比比氢离子小得多氢离子小得多。正离子的轰击正离子的轰击紫外线照射紫外线照射放射性物质放射性物质阴极射线阴极射线光电流光电流射线射线金属受热金属受热热离子流热离子流发现电子以后，汤姆孙进一步研究又发现了许多新现象：发现电子以后，汤姆孙进一步研究又发现了许多新现象：J.J J.J 汤姆孙汤姆孙J.J ThomsonJ.J Thomson1857 1857 19401940英国英国认为阴极射线是一种认为阴极射线是一种“带电微粒带电微粒”赫兹赫兹 H.Rudolf Hertz H.Rudolf
15、 Hertz 1857 1857 18941894德国德国 认为阴极射线是一种认为阴极射线是一种“电磁辐射电磁辐射”我看到的是：我看到的是：1 1、它在电场中不偏转，因此不带电、它在电场中不偏转，因此不带电2 2、它能穿透薄铝片，粒子是做不到、它能穿透薄铝片，粒子是做不到的，但波可以的，但波可以!WIN带负电，且电荷量与质子相同带负电，且电荷量与质子相同速度远小于电磁波传播速度速度远小于电磁波传播速度质量是最轻的原子质量是最轻的原子 1/2000 1/2000 左右左右1 1、电量：、电量：e=1.60217733e=1.60217733101019 19 C C（现代值）（现代值）e=1.6
16、 e=1.6101019 19 C C（近似值）（近似值）（美国科学家（美国科学家密立根通过著名的密立根通过著名的“油滴实验油滴实验”精确测定）精确测定）2 2、质量：、质量：m me e=9.1093897=9.109389710103131 kg kg3 3、质子质量与电子质量的比值、质子质量与电子质量的比值:m mp p/m/me e=18361836（mp=1.67mp=1.671010 2727kgkg ）4、电子电荷电子电荷是是最基本最基本的带电单位的带电单位元电荷元电荷e e 即即任何带电体的任何带电体的电荷量电荷量只能是只能是e e的的整数倍整数倍。电荷是电荷是量子化的量子化的
17、。四、电子的电量和质量四、电子的电量和质量练习：练习：1 1、电子的发现说明（、电子的发现说明（）A A、原子是由原子核和电子组成的、原子是由原子核和电子组成的 B B、物质是带电的且一定带负电、物质是带电的且一定带负电 C C、原子可进行再分、原子可进行再分 D D、原子核可再分、原子核可再分2 2、关于阴极射线，下列说法正确的是（、关于阴极射线，下列说法正确的是（）A A、阴极射线就是稀薄气体导电的辉光放电现象、阴极射线就是稀薄气体导电的辉光放电现象 B B、阴极射线是在真空管内由阴极发出的电子流、阴极射线是在真空管内由阴极发出的电子流 C C、阴极射线是某一频率的电磁波、阴极射线是某一频
18、率的电磁波 D D、阴极射线可以直线传播，也可被电场、磁场偏转、阴极射线可以直线传播，也可被电场、磁场偏转CBD课堂小结：课堂小结：继继汤姆孙汤姆孙发现发现电子电子后，后，卢瑟福卢瑟福提出提出核式结构原子模型核式结构原子模型；2020世纪初世纪初，玻尔玻尔建立了建立了氢原子模型氢原子模型，这才使得原子理论趋于完善，现代原子论认，这才使得原子理论趋于完善，现代原子论认为：原子包含原子核和绕原子核转动的电子，原子核含有为：原子包含原子核和绕原子核转动的电子，原子核含有质子质子和和中子中子，电子轨道有多层，外层势能高，内层势能低，电子电子轨道有多层，外层势能高，内层势能低，电子吸收能量吸收能量就跑到
19、就跑到外外层层轨道，轨道，放出能量放出能量就就跌入内层跌入内层轨道，放出的能量以轨道，放出的能量以光子光子的形式发射出的形式发射出去，能量大小不等，光波的频率就不同，原子就这样和去，能量大小不等，光波的频率就不同，原子就这样和光波光波，进而和，进而和颜色颜色及及色觉色觉联系起来了。联系起来了。阅读材料：阅读材料：1919世纪末，物理学的世纪末，物理学的三项重大三项重大的实验发现：的实验发现：X X射线、放射性和电射线、放射性和电子子。电子的发现使人们认识到自然界还有。电子的发现使人们认识到自然界还有比原子更小的实物比原子更小的实物。电子。电子的发现打开了通向原子物理学的大门的发现打开了通向原子物理学的大门 ,人们开始研究原子的结构人们开始研究原子的结构。
