1、18.1 电子的发现 教学目标 （1）了解阴极射线及电子发现的过程； （2）知道汤姆孙研究阴极射线发现电子的实验及理论推导。 引入新课 人类对原子的认识和研究经历了一个十分漫长的过程，这一过程也是辩证 发展的过程。根据事实建立学说，发展学说，或是决定学说的取舍，发现新的 事实，再建立新的学说。人类就是这样通过光的行为，经过分析和研究，逐渐 认识原子的。 很早以来，人们一直认为构成物质的最小粒子是原子，原子是一种不可再 分割的粒子。这种认识一直统治了人类思想近两千年。直到 19 世纪末，科学家 对实验中的阴极射线深入研究时，发现了电子，使人类对微观世界有了新的认 识。电子的发现是 19 世纪末、
2、20 世纪初物理学三大发现之一。 一、物质结构的早期探究 大千世界（宇宙）是由什么构成的？ 我国西周时期的五行说：金、木、水、火、土 古希腊的亚里士多德认为：万物的本质是土、水、火、空气 4 种“元素” ， 天体则由第五种元素以太构成。 古希腊学者德谟克利特等人认为宇宙间存在一种或多种微小的实体，这个 实体叫做“原子” ，原子密不可分，这些原子在虚空中运动，并可按照不同的方 式重新结合或分散。 我国战国时期的思想家墨子认为物体是由不可分割的最小单元“端” 构成 1661 年，玻意耳以化学实验为基础建立科学的元素论，认为只有那些不能 用化学方法再分解的简单物质才是元素，各种元素存在着不同的原子。
3、 19 世纪初，道尔顿提出原子论。 1811 年，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。 宏观物质的化学性质决定于分子，分 子则由原子构成，原子是构成物质的 不可分再分的最小颗粒。原子真的不可再分了吗？ 二、阴极射线 气体分子在高压电场下可以发生电离，使本来不带电的空气分子变成具有 等量正、负电荷的带电粒子，使不导电的空气变成导体。是什么原因让空气分 子变成带电粒子的？带电粒子从何而来的？ 1、阴极射线 早在 1858 年，德国物理学家普吕克尔利用低压气体放电管研究气体导电时 发现一种奇特的辉光放电现象。 演示实验：用一个阴极射线管两端加高压，管中有一个金属十字状物体，
4、 可以观察到管端玻璃壁上亮度的变化。 阴极射线管：真空，阴极为金属板，两极接高压。 德国物理学家戈德斯坦对辉光放电现象研究后认为这是从阴极发出的某种 射线引起的。所以他把这种未知射线称之为阴极射线。 2、阴极射线的本质，有大量的科学家作出大量的科学研究，主要形成了两 种观点。 （1）电磁波说：代表人物，赫兹。认为这种射线的本质是一种电磁波的传 播过程。 （2）粒子说：代表人物，汤姆孙。认为这种射线的本质是一种高速粒子流。 探究一：你能否设计一个实验来研究阴极射线到底是一种电磁波还是一种 高速粒子流。 （用电磁场能使运动着的带电粒子发生偏转来指导学生判断阴极射 线的本质是一种带电微粒。 ） 探究
5、二：既然已经知道阴极射线是一种带电微粒，那么它带什么电？怎么 判断？（用加电、磁场的方法判断出阴极射线带负电） 。 3、阴极射线应用 电子示波器中的示波管、电视的显像管、电子显微镜等都是利用阴极射线 在电磁场作用下偏转、聚焦以及能使被照射的某些物质,如硫化锌发荧光的性质 工作的.高速的阴极射线打在某些金属靶极上能产生 X 射线，可用于研究物质的 晶体结构。阴极射线还可直接用于切割、熔化、焊接等。 三、电子的发现 我们已经知道了阴极射线是一种带负电的微粒，那么它到底是一种什么粒 子呢？要了解一种带电微粒，找到它的电荷量与质量的比值即比荷 q/m 是比较 重要的途径之一，英国物理学家汤姆孙在 18
6、90 年也想到了这里，他在著名的卡 文迪许实验室用下面的装置求出了这种带电微粒的比荷。实际上有多种方法可 以测量它的比荷。我们把汤姆孙的这种方法叫“电偏法” 1、汤姆孙的研究 英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。实验装置如图所示， 从高压电场的阴极发出的阴极射线，穿过 C1C2后沿直线打在荧光屏 A上。 为了研究阴极射线粒子的比荷，汤姆孙在真空管两侧加了两块金属板，金 属板间加一电压。 （1）当金属板之间未加电场时，射线不偏转，当在平行极板上加一如图所 示的电场，发现阴极射线打在荧光屏上的位置向下偏，则可判定，阴极射线带 有负电荷。 （2）为使阴极射线不发生偏转，则请思考可在平行极板
7、区域采取什么措施。 在平行极板区域加一磁场，且磁场方向必须垂直纸面向外。当满足条件： 时，则阴极射线不发生偏转。则：qEBv0 BEv0 （3）根据带电的阴极射线在电场中的运动情况可知，其速度偏转角为： 20tanmvL C C 1 C2 Y A S 磁场 又因为： )2(tanLDy 且 BEv0 则： Lymq2)( 根据已知量，可求出阴极射线的比荷。 汤姆孙求出的比荷约为 1011 库仑/千克，而当时已知的最小的氢离子的比荷 为 108 库仑/千克 ，这种阴极射线粒子的比荷比最小的氢离子的比荷还大约 2000 倍，只有两种可能，一是此种阴极射线的电荷量很大，或者它的质量很小。 到底是怎样
8、的呢？汤姆孙并没有放弃，后来他直接测到了这种阴极射线的电荷 量，发现它与氢离子的电荷量差不多，由此可以证明这种阴极射线粒子的质量 比当时认为最小的氢离子的质量小上千倍。 后来，汤姆孙发现，用不同材料的阴极和不同的气体做实验，所得阴极射 线比荷的数值是相等的。这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各 种物质的共有成分。于是，汤姆生把新发现的这种粒子称之为电子。1897 年， 汤姆孙向世界宣布发现了电子。 2、电子的电荷量和质量 第一次较为精确测量出电子电荷量的是美国物理学家密立根利用油滴实验 测量出的。美国物理学家密立根利用油滴实验较为精确的测量出电子的电荷量 为 e1.60217733
9、1019 C 密立根通过实验还发现，电荷具有量子化的特征。即任何电荷只能是 e 的 整数倍。 再由前面实验得到的比荷可以确定 电子的质量 m9.109389710 31 kg 四、电子发现的意义： 电子的发现，不仅找到了一种比原子更小的微粒，说明原子也是有结构的， 是可以再分的，电子是原子的组成部分。 由于原子中含有带负电的电子，从物质的电中性出发，推想出原子中还有 带正电的部分，这就进一步地提出了探索原子结构和建立原子模型的问题，由 此揭开了原子物理研究的序幕，为 20 世纪原子物理学科的建立和发展起到极为 关键的作用。 因此，他被科学界誉为“ 一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人” 。
10、 电子的发现与 X 射线和放射线的发现被称为 19 世纪末 20 世纪初物理学的三大 发现。 五、科学素养培养 阴极射线是德国物理学家 J.普吕克尔在 1858 年利用低压气体放电管研究气 体放电时发现的 .从低压气体放电管阴极发出的电子在电场加速下形成的电子 流。阴极可以是冷的也可以是热的，电子通过外加电场的场致发射、残存气体 中正离子的轰击或热电子发射过程从阴极射出。 大家注意到，从 1858 年普吕克尔首次观察到阴极射线到 1897 年汤姆孙确 x L 萤幕 D S S O 电场 E A y e m y1 y2 v0 v C C 1 C2 Y A S 磁场 认电子的存在，其间经历了近 4
11、0 年，这期间对阴极射线的研究从未间断，甚至 有人也测出了组成阴极射线微粒的比荷，但是谁都不敢承认还有比原子更小的 粒子，因而错过了发现电子的良机。 1897 年 J.J.汤姆孙根据放电管中的阴极射线在电磁场和磁场作用下的轨迹 确定阴极射线中的粒子带 负电，并测出其荷质比，这在一定意义上是历史上第 一次发现电子，12 年后 R.A.密立根用油滴实验测出了电子的电荷。 汤姆生对电子的研究过程和方法 定性研究： J.J.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，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。 定量研究 ： 计算出阴极射线的荷质比 e/m。 普遍性证明 科学研究的重要特点之一是通过各种途径去探索自然规律。这个进程是曲 折复杂的，不可能完全遵循某一条预定的途径达到预期的目的。这就是一个偶 然性发现和必然性规律之间的辩证关系。因此，谁善于捕捉意外事情，谁能透 过大量纷繁复杂的偶然性客观现象揭示其必然性规律，谁就能有所发现发明， 登上科学的高峰。X 射线虽然是伦琴无意的发现，却改变了人类世界，如此巨 大的成就的取得终究归功于伦琴的智慧和努力，正如一句名言所说：机遇青睐 有准备的头脑。这就是一个很好的印证。
