高中物理第二章原子结构2.1电子的发现与汤姆孙模型导学案教科版选修3-5

第1节 电子的发现与汤姆孙模型

[目标定位] 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.4.了解汤姆孙的原子模型．

一、物质结构的早期探究 1．古人对物质的认识

(1)我国西周的“五行说”认为万物是由金、木、水、火、土五种基本“元素”组成的． (2)古希腊的亚里士多德认为万物的本质是土、水、火、空气四种“元素”，天体则由第五种“元素”——“以太”构成．

(3)古希腊哲学家德谟克利特等人建立了早期的原子论，认为宇宙间存在着一种或多种微小的实体，叫做“原子”．

2．大约在17世纪中叶，人们开始通过实验来了解物质的结构． (1)1661年，玻意耳以化学实验为基础建立了科学的元素论． (2)19世纪初，道尔顿提出了原子论，认为原子是元素的最小单位．

(3)1811年，意大利化学家阿伏伽德罗提出了分子假说，指出分子可以由多个相同的原子组成．

二、电子的发现

1．阴极射线：科学家研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极发出一种射线，这种射线能使玻璃管壁发出荧光，这种射线称为阴极射线． 2．汤姆孙对阴极射线本质的探究

(1)实验中通过静电偏转力和磁场偏转力相抵消等方法，确定了阴极射线粒子的速度，并测量出了这些粒子的比荷：q m ＝

E

RB 2

. (2)阴极射线是带电粒子流，带负电．

(3)不同物质都能发射这种带电粒子，它是各种物质中共有的成分，其质量是氢离子质量的1

1 800

，汤姆孙将这种带电粒子称为电子． 想一想 汤姆孙怎样通过实验确定阴极射线是带负电的粒子？

答案 他根据阴极射线在电场和磁场中偏转情况判断其是带负电的电子流． 三、汤姆孙原子模型

汤姆孙认为，原子带正电的部分应充斥整个原子，很小很轻的电子镶嵌在球体的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那样，这就是原子的葡萄干面包模型．

一、阴极射线的性质及特点

1．阴极射线实质是电子束．

2．阴极射线的产生：玻璃管内的气体足够稀薄时，射线由阴极发出，它可使玻璃管壁发出荧光．

3．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，故研究电场力(或洛伦兹力)对电子运动的影响时，一般不考虑重力的影响．

图1

(2)带电性质的判断方法

①粒子在电场中运动如图1所示．带电粒子受电场力作用运动方向发生改变(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．

图2

②粒子在磁场中运动，如图2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．

【例1】如图3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( )

图3

A．电磁波

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

答案 C

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． 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． 针对训练 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 答案 C

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． 二、电子比荷的测定

1．汤姆孙在研究阴极射线时的实验装置如图4所示：

图4

2．带电粒子比荷的测定方法

图5

(1)让粒子通过正交的电磁场(如图5所示)，让其做直线运动，根据二力平衡，即F 洛＝F 电(Bqv ＝qE )得到粒子的运动速度v ＝E

B

. (2)在其他条件不变的情况下，

图6

撤去电场(如图6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

Bqv ＝mv 2

R

，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径R .

(3)由以上两式确定粒子的比荷表达式：q m ＝

E

B 2R

，最后经定量计算汤姆孙认定组成阴极射线

的粒子为电子．

【例2】 如图7所示为测定阴极射线粒子比荷的装置，从阴极K 发出的阴极射线通过一对平行金属板D 1、D 2间的匀强电场，发生偏转．

图7

(1)在D 1、D 2间加电场后射线偏到P 2，则由电场方向知，该射线带什么电？

(2)再在D 1、D 2间加一磁场(图中未画出)，电场与磁场垂直，让射线恰好不偏转．设电场强度为E ，磁感应强度为B ，则电子的速度多大？

(3)撤去电场，只保留磁场，使射线在磁场中做圆周运动，若测出轨道半径为R ，则粒子的荷质比q m

是多大？ 解析 (1)负电

(2)粒子受两个力作用：电场力和洛伦兹力，两个力平衡，即有qE ＝qvB ，得：v ＝E B

(3)根据洛伦兹力充当向心力：qvB ＝m v 2R ，得出：q m ＝v

BR

.

又v ＝E

B ，则q m ＝

E B 2R .测出E 、B 、R 即可求荷质比q

m

. 答案 (1)负电 (2)E

B

(3)E B 2R

借题发挥 测比荷的方法

带电粒子的比荷，常见的测量方法有两种：

(1)利用磁偏转测比荷，由qvB ＝m v 2R 得q m ＝v

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．

(2)利用电偏转测比荷，偏转量y ＝12at 2＝12·qU md ⎝ ⎛⎭⎪⎫L v 2，故q m ＝2ydv

2

UL 2.所以在偏转电场U 、d 、L

已知时，只需测量v 和y 即可． 三、汤姆孙的原子模型