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1、第一节第一节 电子的发现电子的发现物理选修物理选修3-5 3-5 第十八章第十八章 原子的结构原子的结构 课标要求 本章内容以人们认识微观世界的过程为线索，介绍了历史上著名的实验及根据实验得出的关于电子的发现、原子结构、原子光谱和激光的产生的基础知识 本章学习过程中要掌握九个概念、三个模型、一个实验、三个公式、一个光谱 九个概念：阴极射线、发射光谱、吸收光谱、能级、基态、激发态、自发发射、受激吸收、受激发射 三个模型：汤姆孙原子模型、卢瑟福原子模型、玻尔原子模型 一个实验：粒子散射实验 三个公式：能级公式、轨道公式、能级跃迁公式 一个光谱：氢原子光谱 本章内容可分为二个单元：第一单元(第12节
2、)主要介绍了电子及原子结构的发现、发展过程第二单元(第34节)主要讲了氢原子光谱的实验规律及玻尔理论 本章的重点是汤姆孙发现电子的科学思想与实验方法、人类在实验的基础上认识原子结构、光谱的线系及原子的能级跃迁本章的难点是人类研究微观世界的方法、初步建立量子化的概念、原子的能级跃迁1897年年J.J.汤姆孙汤姆孙根据放根据放电管中的阴极射线在电管中的阴极射线在电磁电磁场场和和磁场磁场作用下的轨迹确作用下的轨迹确定阴极射线中的定阴极射线中的粒子粒子带带负负电电，并测出其，并测出其荷质比荷质比，这，这在一定意义上是历史上第在一定意义上是历史上第一次发现电子，一次发现电子，12年后年后R.A.密立根用
3、密立根用油滴实验油滴实验测测出了电子的出了电子的电荷电荷。电子的发现电子的发现1856-19401856-1940英国剑桥大学英国剑桥大学实验物理学家实验物理学家 19 19世纪末，在对气体放电现象的研究中，科学家世纪末，在对气体放电现象的研究中，科学家发现了电子。发现了电子。8原子是可以分割的，是由更小的微粒组成的。原子是可以分割的，是由更小的微粒组成的。 早在早在18581858年，德国物理学家普吕克尔利用低压气年，德国物理学家普吕克尔利用低压气体放电管研究气体放电时发现一种奇特的现象。体放电管研究气体放电时发现一种奇特的现象。 1876 1876年德国物理学家戈德斯坦研究后命名为年德国物
4、理学家戈德斯坦研究后命名为阴极阴极射线射线阴极射线阴极射线阴极射线的本质阴极射线的本质一种认为阴极射线像一种认为阴极射线像X射线一样是电磁辐射射线一样是电磁辐射一种认为阴极射线一种认为阴极射线是带电微粒是带电微粒思考：思考：根据带电粒子在电磁场中的运动规律，你根据带电粒子在电磁场中的运动规律，你知道哪些方法可以判断运动的带电粒子所带电荷知道哪些方法可以判断运动的带电粒子所带电荷的正负号？的正负号？ 英国物理学家英国物理学家J.J.J.J.汤姆孙汤姆孙自自18901890年起开始研究，年起开始研究，对阴极射对阴极射线线进行了一系列的实验研究。他认为阴极射线是带电粒子流。进行了一系列的实验研究。他
5、认为阴极射线是带电粒子流。实验验证实验验证 在真空度高的放电管中，阴极射线中的粒子主要在真空度高的放电管中，阴极射线中的粒子主要来自阴极。对于真空度不高的放电管来说，粒子还可来自阴极。对于真空度不高的放电管来说，粒子还可能来自管中的气体。能来自管中的气体。汤姆孙的气体放电管的示意图汤姆孙的气体放电管的示意图 带电粒子的电荷量与其质量之比带电粒子的电荷量与其质量之比比荷比荷q/m，是一个重要的物理量。根据带电粒子在电场和磁场中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，可以得出组成阴极射线的微粒的比荷。受力的情况，可以得出组成阴极射线的微粒的比荷。建议你依照下面的提示自己算一算。建
6、议你依照下面的提示自己算一算。 1. 当金属板当金属板D1、D2之间未加电场时，射线不偏转，之间未加电场时，射线不偏转，射在屏上射在屏上P1点。施加电场点。施加电场E之后，射线发生偏转之后，射线发生偏转并射到屏上并射到屏上P2处。由此可以推断阴极射线带有什处。由此可以推断阴极射线带有什么性质的电荷？么性质的电荷？汤姆孙的气体放电管的示意图汤姆孙的气体放电管的示意图2. 如果要抵消阴极射线的偏转，使它从如果要抵消阴极射线的偏转，使它从P2点回到点回到 P1，需要在两块金属板之间的区域再施加一个大，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。小、方向合适的磁场。 这个磁场的方向是？
7、这个磁场的方向是？ 写出此时每个阴极射线微粒（质量为写出此时每个阴极射线微粒（质量为m，速度为，速度为 v） 受到的洛仑兹力和电场力。你能求出阴极射线受到的洛仑兹力和电场力。你能求出阴极射线 的速度的速度v的表达式吗？的表达式吗？汤姆孙的气体放电管的示意图汤姆孙的气体放电管的示意图 3.由于金属板由于金属板D、F间的距离是已知的，两板间的间的距离是已知的，两板间的电压是可测量的，所以两板间的电场强度电压是可测量的，所以两板间的电场强度E也是也是已知量已知量E=?。磁感应强度。磁感应强度B同样按已知量处理。同样按已知量处理。汤姆孙的气体放电管的示意图汤姆孙的气体放电管的示意图4. 如果去掉如果去
8、掉D1、D2间的电场间的电场E，只保留磁场，只保留磁场B，磁场方向与射线运动方向垂直。阴极射线在有磁场方向与射线运动方向垂直。阴极射线在有磁场的区域将会形成一个半径为磁场的区域将会形成一个半径为r的圆弧的圆弧(r可以可以通过通过P3的位置算出的位置算出) 。此时，组成阴极射线的粒。此时，组成阴极射线的粒子做圆周运动的向心力就是子做圆周运动的向心力就是_力。力。汤姆孙的气体放电管的示意图汤姆孙的气体放电管的示意图实验结论实验结论 1897 1897年，汤姆孙得出阴极射线的本质是带负电年，汤姆孙得出阴极射线的本质是带负电的粒子流并求出了这种粒子的比荷。的粒子流并求出了这种粒子的比荷。rdBUrBE
9、mq22 当汤姆孙在测定比荷实验时发现，用不同材料的当汤姆孙在测定比荷实验时发现，用不同材料的阴极做实验，所发出射线的粒子都有相同的比荷，阴极做实验，所发出射线的粒子都有相同的比荷，这表明什么？这表明什么？ 这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的成各种物质的共有成分共有成分。 荷质比约为质子（氢离子）比荷的荷质比约为质子（氢离子）比荷的20002000倍。是倍。是电荷比质子大？还是质量比质子小？电荷比质子大？还是质量比质子小？ 汤姆孙猜测：这可能表示阴极射线粒子电荷量汤姆孙猜测：这可能表示阴极射线粒子电荷量的大小与一个氢离子一样，而质量
10、比氢离子小得的大小与一个氢离子一样，而质量比氢离子小得多。多。 后来汤姆孙测得了这种粒子的电荷量与氢离子后来汤姆孙测得了这种粒子的电荷量与氢离子电荷量大致相同，由此可以看出他当初的猜测是电荷量大致相同，由此可以看出他当初的猜测是正确的。后来阴极射线的粒子被称为正确的。后来阴极射线的粒子被称为电子电子实验结论分析实验结论分析 进一步拓展研究对象：用不同的材料做成的进一步拓展研究对象：用不同的材料做成的阴极做实验，做光电效应实验、热离子发射效应阴极做实验，做光电效应实验、热离子发射效应实验、实验、射线（研究对象射线（研究对象普遍化普遍化）。）。 电子是原子的组成部分，是比原电子是原子的组成部分，是
11、比原子更基本的物质单元。子更基本的物质单元。电子电子 美国科学家美国科学家密立根密立根又精确地测定了电子的电量：又精确地测定了电子的电量： e=1.6022e=1.602210101919 C C 根据荷质比，可以精确地计算出电子的质量为：根据荷质比，可以精确地计算出电子的质量为： m=9.1094m=9.109410103131 kg kg1836pemm质子质量与电子质量的比值：质子质量与电子质量的比值：密立根油滴实验密立根油滴实验的原理图电子的发现具有伟大的意义，因为这一事电子的发现具有伟大的意义，因为这一事件使人们认识到自然界还有比原子更小的实物。件使人们认识到自然界还有比原子更小的实
12、物。电子的发现打开了通向原子物理学的大门电子的发现打开了通向原子物理学的大门,人们人们开始研究原子的结构开始研究原子的结构 . 他被科学界誉为他被科学界誉为“一位最先打开通向基本一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人粒子物理学大门的伟人”J.J.汤姆生对电子的研究过程和方法汤姆生对电子的研究过程和方法 定性研究：定性研究：J.J.汤姆生还改进了赫兹的静电场偏转实汤姆生还改进了赫兹的静电场偏转实验，他进一步提高了真空度，并且减小极间电压，验，他进一步提高了真空度，并且减小极间电压，以防止气体电离，终于获得了稳定的静电偏转。以防止气体电离，终于获得了稳定的静电偏转。得出阴极射线带负电。得出阴极射
13、线带负电。 定量研究定量研究：计算出阴极射线的荷质比计算出阴极射线的荷质比e/m。 普遍性证明普遍性证明 练习 1(2009泰州高二检测)如图所示，在阴极射线管正上方平行放一通有强电流的长直导线，则阴极射线将() A向纸内偏转 B向纸外偏转 C向下偏转 D向上偏转 答案：D 2.关于密立根“油滴实验”的科学意义，下列说法正确的是() A测得了电子的电荷量 B提出了电荷分布的量子化观点 C为电子质量的最终获得作出了突出贡献 D为人类进一步研究原子的结构提供了一定的理论依据 答案：ABCD3 3：示波管中电子枪的原理图如图。管内为空，示波管中电子枪的原理图如图。管内为空，A A为发射热为发射热电子
14、的阴极，电子的阴极，K K为接在高电势点的加速阳极，为接在高电势点的加速阳极，A A、K K间电压间电压为为U U。电子离开阴极是速度可以忽略，电子经加速后从。电子离开阴极是速度可以忽略，电子经加速后从K K的的小孔中射出时的速度大小为小孔中射出时的速度大小为v v，下面说法正确的是：，下面说法正确的是：( ) ( ) A A、如果、如果A A、K K间距离减半，电压间距离减半，电压U U、不变，则离开时速率变不变，则离开时速率变为为2v 2v B B、如果、如果A A、K K间距离减半，电压间距离减半，电压U U、不变，则离开时速率变不变，则离开时速率变为为v/2 v/2 C C、如果、如果
15、A A、K K间距离不变，电压间距离不变，电压U U减半，则离开时速率变为减半，则离开时速率变为2v 2v D D、如果、如果A A、K K间距离不变，电压间距离不变，电压U U减半，则离开时速率变为减半，则离开时速率变为0.707v0.707vA AK KU UD5 5：如图，在两平行板间有平行的均匀电场如图，在两平行板间有平行的均匀电场E E，匀强磁场匀强磁场B B。MNMN是荧光屏，中心为是荧光屏，中心为O O，OO=LOO=L，在荧光屏上建立一个坐标系，原点是在荧光屏上建立一个坐标系，原点是O O，y y轴向轴向上，上，x x轴垂直纸面向外，一束速度轴垂直纸面向外，一束速度、荷质比相同荷质比相同的粒子沿的粒子沿OOOO方向从方向从OO射入，打在射入，打在屏上屏上P P（- - ）点，求：）点，求：（1 1）粒子带何种电荷？）粒子带何种电荷？（2 2）B B的方向？的方向？（3 3）粒子的荷质比？）粒子的荷质比？3,36LLOOO OM MN N