十八章电子的发现

图18－1－6
B．带正电的高速粒子流
C．带负电的高速粒子流 D．不带电的高速中性粒子流
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点拨
首先由 AB中的电流方向判断出射线所在处的磁场方向，
再由粒子的偏转方向确定洛伦兹力的方向，最后由左手定则确 定出粒子的性质． 解析 射线在电流形成的磁场中发生偏转，即可确定该射线是
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【变式2】 如图18－1－8所示，让一束 均匀的阴极射线从两极板正中间垂直 穿过正交的电磁场，选择合适的磁感 应强度B和两极之间的电压U，带电 粒子将不发生偏转，然后撤去电场， 图18－1－8
粒子将做匀速圆周运动，并垂直打到
极板上，两极板之间的距离为d，求 阴极射线中带电粒子的比荷．
(粒子质量忽略不计)．带电粒子在
不受其他力的作用时，若沿电场
图18－1－2
线方向偏转，则粒子带正电；若逆着电场线方向偏转，则粒
子带负电．
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②粒子在磁场中运动，如图18-1-3
所示．粒子将受到洛伦兹力作用
F＝qvB，洛伦兹力方向始终与速度 方向垂直，利用左手定则即可判断 图18－1－3
电的电子在核外空间运动．
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阴极射线的性质及特点
【典例1】 如图18－ 1－ 6 所示，一玻璃管 中有从左向右的阴极射线可能是电磁波 或某种粒子流形成的射线，若在其下方 放一通电直导线 AB ，射线发生如图所 示的偏转， AB 中的电流方向由 B 到 A ， 则该射线的本质为 ( )． A．电磁波
1 电子的发现
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1．知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分． 2．了解汤姆孙发现电子的研究方法及蕴含的科学思想． 3．领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义.
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一、阴极射线 气体导电特点
(1)通常状态下，气体是不导电
电离 能够被 而导电；
阴极射线不是X射线．
阴极射线带电性质的判断方法
(1) 阴极射线的本质是电子，在电场 ( 或磁场 ) 中所受电场力 (或洛伦兹力)远大于所受重力，故研究电磁力对电子运动的 影响时，一般不考虑重力的影响．
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(2)带电性质的判断方法 ①粒子在电场中运动如图 18 － 1－ 2所示．带电粒子在电场中运动， 受电场力作用运动方向发生改变
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解析 设阴极射线粒子的电荷量为 q，质量为 m，则在电磁场中由 U 平衡条件得：q ＝qvB① d 撤去电场后，由牛顿第二定律得 mv 2 qvB＝ ② R d R＝ ③ 2 q 2U 解①、②、③得：m＝ 2 2. Bd 2U 答案 B2d2
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偏移，直到荧屏上恰好看不见亮点为止，记下此时外加电压
为U，请问本步骤的目的是什么？ ③保持步骤②中的电压 U 不变，对 M1M2 区域加一个大小、方 向合适的磁场B，使荧屏正中心处重现亮点，试问外加磁场的 方向如何？
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(2)根据上述实验步骤，同学们正确地推算出电子的比荷与 q U 外加电场、磁场及其他相关量的关系为 m＝ 2 2.一位同学 Bd 说，这表明电子的比荷大小将由外加电压决定，外加电压 越大则电子的比荷越大，你认为他的说法正确吗？为什 么？
的，在强电场条件下，气体
(2)研究气体放电时一般都用稀薄气体，导电时可以看到
辉光 放电现象； (3) 当气体压强很低时，从阳极射出的粒子打在玻璃上发出 电子 的荧光，实际上是 打在管壁上发光．
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阴极射线的产生
在研究气体导电的玻璃管内有阴阳
两极时，当两极间加一定电压时，
实验装置如图 18 － 1 － 1 所示，阴极
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测量带电粒子的比荷
q 【典例 2】 带电粒子的比荷m是一个重要的物理量．某中学 物理兴趣小组设计了一个实验，探究电场和磁场对电子运 动轨迹的影响，以求得电子的比荷，实验装置如图 18－1 －7 所示．
图18－1－7
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(1)他们的主要实验步骤如下： ①首先在两极板M1M2之间不加任何电场、磁场，开启阴极射 线管电源，发射的电子束从两极板中央通过，在荧屏的正中 心处观察到一个亮点； ②在M1M2两极板间加合适的电场：加极性如图 18－1－7所示 的电压，并逐步调节增大，使荧屏上的亮点逐渐向荧屏下方
图18－1－4
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在其他条件不变的情况下， 撤去 电场(如图 18－1－5 所示)，保 留磁场让粒子单纯地在磁场中 运动， 由洛伦兹力提供向心力即 mv 2 Bqv＝ r ， 根据轨迹偏转情况， 由几何知识求出其半径 r. 由以上两式确定粒子的比荷表 q E 达式： ＝ 2 ，最后经定量计 m Br 算汤姆孙认定组成阴极射线的 粒子为电子．
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3．[教材P50]
原子中带正电的部分以及带负电的电子可能是如何分布的？
点拨 原子中正负电荷的分布情况是由卢瑟福通过其做的α
粒子散射实验确定下来的．卢瑟福所建立的原子的核式结 构认为：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子
的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核里，带负
便发出一种射线，叫 阴极射线 ． 阴极射线的特点 (1)在真空中沿 直线 传播． (2)碰到物体可使物体发出 荧光 ． 图18－1－1
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二、电子的发现
汤姆孙的探究方法
(1)让阴极射线分别通过电场或磁场，根据偏转 现象，证明
带电 它是 的粒子流并求出了其比荷 .
(2)换用不同材料的阴极和不同的 场 ，所得粒子的比荷的数值 相同．
粒子的电性．不考虑其他力的作用，如果粒子按图示方向 进入磁场，且做顺时针的圆周运动，则粒子带正电；若做 逆时针的圆周运动，则粒子带负电．
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二、带电粒子比荷的测定方法 让粒子通过正交的电磁场 (如图 18 －1－4 所示)， 让其做直线运动， 根 据二力平衡， 即 F 洛＝F 电(Bqv＝qE) E 得到粒子的运动速度 v＝B.
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【变式1】 关于阴极射线的本质，下列说法正确的是 (
A．阴极射线本质是氢原子
)．
B．阴极射线本质是电磁波
C．阴极射线本质是电子
D．阴极射线本质是X射线
解析 阴极射线是原子受激发射出的电子流，关于阴极射
线是电磁波、X射线都是在研究阴极射线过程中的一些假设，
是错误的． 答案 C
(2) 结论：不论是由于正离子的轰击，紫外光的照射，金属 受热还是放射性物质的自发辐射，都能发射同样的带电粒 子—电子．由此可见，电子是原子的组成部分，是比原子更
基本 的物质单元．
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一、对阴极射线的理解
阴极射线实际上就是电子束． 辉光现象产生的条件是：气体稀薄． 阴极射线的来源：若真空度高，阴极射线的粒子主要来自阴 极；若真空度不高，粒子可能来自管中气体．
由带电粒子构成的粒子流．根据安培定则可知， AB上方的磁
场是垂直纸面向里的．粒子向下偏转，洛伦兹力方向向下，由 左手定则可知射线所形成的电流方向向左，与粒子的运动方向 相反，故粒子带负电． 答案 C
借题发挥
应用左手定则时，要注意负电荷运动的方向与它形
成的电流方向相反，即应用左手定则时负电荷运动的方向应与 四指所指的方向相反．
图18－1－5
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教材资料分析
思考与讨论 1．[教材P47] 根据带电粒子在电、磁场中的运动规律，哪些方法可以判断 运动的带电粒子所带电荷的正负号？ 点拨 判断粒子所带电荷的正负，可以让粒子以一定的初速
度垂直于电场线的方向进入一匀强电场，如果粒子沿着电场 线的方向偏转，则粒子带正电．也可以让粒子以一定的速度 垂直于磁感线的方向进入一匀强磁场，由左手定则也可以判
答案 见解析
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借题发挥 测比荷的方法 测量带电粒子的比荷，常见的测量方法有两种： v2 q v (1)利用磁偏转测比荷， 由 qvB＝m R 得m＝BR， 只需知道 磁感应强度 B、 带电粒子的初速度 v 和偏转半径 R 即可． 1 2 1 qU L2 q (2)利用电偏转测比荷，偏转量 y＝ at ＝ ·md v ，故m 2 2 2ydv2 ＝ 2 .所以在偏转电场 U、d、L 已知时，只需测量 v UL 和 y 即可．
根据射线偏转方向和D1、D2电性知阴极射线带负电．
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(2)为了抵消阴极射线的偏转，使它从P2点回到P1，需要在 两块金属板之间的区域再施加一个大小合适、方向垂直于 纸面的磁场．这个磁场B应该向纸外还是向纸内？写出此时
每个阴极射线微粒(质量为m，速度为v)受到的洛伦兹力和
库仑力．两个力之间应该有什么关系？
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解析 (1)②中荧屏上恰好看不到亮点说明电子刚好落在正 极板的近荧屏的边缘，目的是利用极板间的距离 d 表达比 q 荷m.③中由于要求洛伦兹力方向向上．根据左手定则可知 磁场方向垂直电场方向向外(垂直于纸面向外)． q (2)说法不正确， 电子的比荷m是电子的固有参数， 与测量所 加 U、B 以及极板间距离 d 无关．
断粒子的电性．
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2．[教材 P48] q 带电粒子的电荷量与其质量之比——比荷m，是一个重要 的物理量．根据带电粒子在电场和磁场中受力的情况，可 以得出它的比荷． 假设你是当年“阴极射线是带电微粒” 观点的支持者， 请你依照下面的提示思考计算阴极射线微 粒的比荷的方法．
点拨 (1) 当课本图 18.1 － 2 中金属板 D1 、 D2 之间未加电场 时，射线不偏转，射在屏上 P1 点．按图示方向施加电场 E 之后，射线发生偏转并射到屏上 P2点．由此推断，阴极射 线带有什么性质的电荷？
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(4)去掉 D1、D2 间的电场 E，只保留磁场 B.由于磁场方向与 射线运动方向垂直，阴极射线在 D1、D2 之间有磁场的区域 会形成一个半径为 r 的圆弧， 使得阴极射线落在屏的 P3 点． 此 时，组成阴极射线的粒子做圆周运动的向心力是洛伦兹 力． 半径 r 可以通过 P3 点的位置算出， 同样按已知量处理． 按 q 照以上提示就可以写出比荷m的表达式了．这里要用到步骤 2 中求出的阴极射线速度 v 的表达式． v2 据牛顿第二定律得 Bqv＝m R ，所以射线粒子做圆周运动的 mv mU q U 半径 R＝ qB ＝ 2 ，所以m＝ 2 . B qd B dR
(3) 粒子带负电荷，比荷是氢离子的近两千倍，说明阴极射
线粒子质量远小于氢离子质量． (4)组成阴极射线的粒子称为 电子．
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汤姆孙的进一步研究 (1)汤姆孙研究的新现象：如 光电效应，热离子发射效应和β
射线等发现，不论
它们都含有 电子 ．
阴极射线 ，β射线，光电流还是热离子流，
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(3)根据以上关系求出阴极射线的速度 v 的表达式．由于金 属板 D1、 D2 间的距离是已知的， 两板间的电压是可测量的， 所以两板间的电场强度 E 也是已知量．磁场由电流产生， 磁感应强度 B 可以由电流的大小算出，因此也按已知量处 理．要使射线不偏转需 Bqv＝Eq，洛伦兹力向上，由左手 E U 定则知，B 的方向垂直纸面向外，所以 v＝ ＝ . B Bd