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第3章 原子世界探秘
第3章 原子世界探秘
导电
电离
导电
荧光物质
氢离子
千分之一
负
原子
预习导学·新知探究
梳理知识·夯实基础
多维课堂,师生互动
突破疑难·讲练提升
阳极|+
阴极
十
Ⅹxxx上2-2--1--
3．1 电子的发现及其重大意义
1.了解阴极射线及电子发现的过程． 2.知道汤姆生研究阴极射线发现电子的实验及理论推导．(重点)
3．培养学生对问题的分析和解决能力，初步了解原子不是最小不可分割的粒子．(难点)
, [学生用书P36])
一、关于阴极射线的争论
在通常情况下，气体是不导电的，但在强电场中，气体能够被电离而导电．在阴极射线管的阴极和阳极接上高压电源后，用真空泵逐渐抽去玻璃管内的空气，管内稀薄气体导电可以看到辉光放电现象．若把玻璃管抽成真空，管内变暗，不再发光，但此时由阴极发出的射线能使荧光物质发光．
将一磁铁靠近阴极射线管，发现射线发生了弯曲，说明什么？
提示：射线在磁场中弯曲了，说明射线带电．
二、汤姆生的发现
汤姆生用实验的方法测量了这种粒子的比荷．他将这种粒子引入电场，根据在电场中的偏转测量了比荷，这种粒子所带的电荷量与氢离子的接近，这种粒子的质量小于氢原子质量的千分之一．至此，进一步明确了它的身份，这是一种带负电的质量很小的粒子，物理学家把它叫做电子．
三、电子发现的重大意义
电子的发现，打破了原子不可再分的传统观念，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有复杂的内部结构．
(1)英国物理学家汤姆生认为阴极射线是一种电磁辐射．( )
(2)组成阴极射线的粒子是电子．( )
(3)电子是原子的组成部分，电子电荷量可以取任意数值．( )
提示：(1)× (2)√ (3)×
对阴极射线的认识[学生用书P36]
1．阴极射线：在真空放电管中，由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引发荧光，这种射线叫做阴极射线．
2．荧光的产生：玻璃管内气体接近真空，辉光消失，却在阳极孔外玻璃管壁上观察到荧光， 并且能使不透明物体产生阴影，产生这种现象的原因是阴极发出的某种射线撞击玻璃的结果，即阴极射线．
3．对阴极射线本质的认识——两种观点
(1)电磁波说，认为这种射线的本质是一种电磁辐射．
(2)粒子说，认为这种射线的本质是一种带电粒子流．
4．阴极射线带电性质的判断方法
(1)利用电场：在阴极射线所经区域加上电场，通过打在荧光屏上的亮点的变化和电场的情况确定带电的性质．
(2)利用磁场：在阴极射线所经区域加一磁场，根据亮点位置的变化和左手定则确定带电的性质．
(3)判断结果：根据阴极射线在电场中和磁场中的偏转情况，判断出阴极射线是粒子流，并且带负电．
5．阴极射线的应用：如示波管、电视显像管、电子显微镜，高速的阴极射线打在某些金属靶上能产生X射线，还能用于研究物质晶体结构，直接用于切割、熔化、焊接等．
(1)阴极射线的来源：真空度高的放电管，阴极射线的粒子主要来自阴极；真空度不高的放电管，粒子可能来自管中气体．
(2)阴极射线不是X射线．
(多选)下列说法中正确的是( )
A．阴极射线在电场中一定会受到电场力的作用
B．阴极射线在磁场中一定会偏转
C．阴极射线在磁场中一定会受到磁场对它的作用力
D．阴极射线的本质是带电微粒——电子
[思路点拨] 阴极射线不是电磁波而是从负极射出的电子流．
[解析] 阴极射线即电子流在电场中一定会受到电场力的作用，A对．只有阴极射线即电子流的速度方向与磁场方向有夹角时，才会受到磁场力(洛伦兹力)，故B、C错．阴极射线的本质是带电微粒——电子，故D对．
[答案] AD
阴极射线在电、磁场中受力，运动情况分析，就与带电粒子在电、磁场中情况一样．
阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的高速运动的粒子流，这些微观粒子是________．若在如图所示的阴极射线管中部加上垂直于纸面向里的磁场，阴极射线将________(选填“向上”“向下”“向里”或“向外”)偏转．
解析：由电子的发现过程可知，阴极射线本质上是高速运动的电子流．当电子在磁场中偏转时，由左手定则可知电子会受到向下的磁场力，故向下偏转．
答案：电子 向下
电子比荷的测定[学生用书P37]
1．让某一速率的电子垂直进入某一电场中，阴极射线偏转，在荧光屏上的亮点位置发生变化．
2．在电场区域加一与其垂直的大小合适的磁场，让电子做直线运动，如图所示，根据二力平衡可得qE－qvB＝0，则v＝.
3．在其他条件不变的情况下，撤去电场(如图)，保留磁场让电子单纯地在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力即Bqv＝，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r.
4．由以上两式确定电子的比荷表达式为＝.
阴极射线的本质是电子，在电场或磁场中所受到的电场力或磁场力远大于重力，所以研究电子时一般不考虑它的重力．
在汤姆生测阴极射线比荷的实验中，采用了如图所示的阴极射线管，从C出来的阴极射线经过A、B间的电场加速后，水平射入长度为L的D、G平行板间，接着在荧光屏F中心出现荧光斑．若在D、G间加上方向向下，场强为E的匀强电场，阴极射线将向上偏转；如果再利用通电线圈在D、G电场区加上一垂直纸面的磁感应强度为B的匀强磁场(图中未画)，荧光斑恰好回到荧光屏中心，接着再去掉电场，阴极射线向下偏转，偏转角为θ，试解决下列问题：
(1)说明阴极射线的电性；
(2)说明图中磁场沿什么方向；
(3)根据L、E、B和θ，求出阴极射线的比荷．
[思路点拨] 先由阴极射线在电场中的偏转方向确定电性，然后由它在电磁场中的运动确定磁场方向，最后由磁场中的圆周运动确定比荷．
[解析] (1)由于不加匀强磁场时，阴极射线向上偏转，因此受电场力方向向上，又由于匀强电场方向向下，则电场力的方向与电场方向相反，所以阴极射线带负电．
(2)由于所加磁场使阴极射线受到向下的洛伦兹力，由左手定则得磁场的方向垂直纸面向里．
(3)设此射线带电量为q，质量为m，当射线在DG间做匀速直线运动时，有qE＝Bqv
当射线在DG间的磁场中偏转时，有Bqv＝
同时又有L＝r·sin θ解得＝.
[答案] (1)负电 (2)垂直纸面向里 (3)
在研究性学习中，某同学设计了一个测定带电粒子比荷的实验，其实验装置如图所示．abcd是一个长方形盒子，在ad边和cd边上各开有小孔f和e，e是cd边上的中点，荧光屏M贴着cd放置，能显示从e孔射出的粒子落点位置．盒子内有一方向垂直于abcd平面的匀强磁场，磁感应强度大小为B.粒子源不断地发射相同的带电粒子，粒子的初速度可以忽略．粒子经过电压为U的电场加速后，从f孔垂直于ad边射入盒内．粒子经磁场偏转后恰好从e孔射出．若已知fd＝cd＝L，不计粒子的重力和粒子之间的相互作用力．请你根据上述条件求出带电粒子的比荷.
解析：带电粒子进入电场，经电场加速．根据动能定理得qU＝mv2，得v＝.粒子进入磁场后做匀速圆周运动，轨迹如图所示．
设圆周半径为R，在三角形Ode中，有
(L－R)2＋＝R2
整理得：R＝L
洛伦兹力充当向心力：qvB＝m
联立上述方程，解得＝.
答案：
测定带电粒子比荷的两种方法[学生用书P38]
1．利用磁偏转测比荷，由qvB＝m得＝，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＝at2＝·，故＝.所以在偏转电场U、d、L已知时，只需测量v和y即可．
如图所示为汤姆生用来测定电子比荷的装置．当极板P和P′间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心O点处，形成一个亮点；加上偏转电压U后，亮点偏离到O′点，O′点到O点的竖直距离为d，水平距离可忽略不计；此时在P与P′之间的区域里再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场，调节磁感应强度，当其大小为B时，亮点重新回到O点．已知极板水平方向长度为L1，极板间距为b，极板右端到荧光屏的距离为L2.
(1)求打在荧光屏O点的电子速度的大小；
(2)推导出电子比荷的表达式．
[解析] (1)当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动，亮点重新回到中心O点，设电子的速度为v，则evB＝eE，得v＝，即v＝.
(2)当极板间仅有偏转电场时，电子以速度v进入后，竖直方向做匀加速运动，加速度为a＝.电子在水平方向做匀速运动，在电场内的运动时间为t1＝.这样，电子
在电场中，竖直向上偏转的距离为d1＝at＝eq \f(eLU,2mv2b).离开电场时竖直向上的分速度为v⊥＝at1＝.电子离开电场做匀速直线运动，经t2时间到达荧光屏，t2＝.t2时间内向上运动的距离为d2＝v⊥t2＝.这样，电子向上的总偏转距离为d＝d2＋d1＝L1·，可解得＝.
[答案] (1) (2)
如图所示，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，带电粒子不发生偏转，然后撤去电压，粒子做匀速圆周运动，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．
解析：设阴极射线粒子的电荷量为q，质量为m，则在电磁场中由平衡条件得，q＝qvB
撤去电场后，由牛顿第二定律得，qvB＝
又R＝
解得＝.
答案：
[随堂检测][学生用书P39]
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：选C.阴极射线是原子受激发射出的电子，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．
2．(多选)关于电子的发现，下列叙述中正确的是( )
A．电子的发现，说明原子是由电子和原子核组成的
B．电子的发现，说明原子具有一定的结构
C．电子是第一种被人类发现的微观粒子
D．电子的发现，比较好地解释了物体的带电现象
解析：选BCD.发现电子之前，人们认为原子是不可再分的最小粒子，电子的发现，说明原子有一定的结构，B正确；电子是人类发现的第一种微观粒子，C正确；物体带电的过程，就是电子的得失和转移的过程，D正确．
3．(多选)汤姆生通过对阴极射线的探究，最终发现了电子，由此被称为“电子之父”，下列说法正确的是( )
A．阴极射线是电子
B．不同的物质中具有不同的电子
C．电子质量是质子质量的1 836倍
D．电子是一种粒子，是构成物质的基本单元
解析：选AD.汤姆生对不同的材料的阴极射线进行研究，发现它们均为同一种粒子——电子，电子是构成物质的基本单元，它的质量远小于质子质量；由此可知A、D正确，B、C错误．
4．(多选)如图所示是汤姆生的气体放电管的示意图，下列说法中正确的是( )
A．若在D1、D2之间不加电场和磁场，则阴极射线应打到最右端的P1点
B．若在D1、D2之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向下偏转
C．若在D1、D2之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向上偏转
D．若在D1、D2之间加上垂直纸面向里的磁场，则阴极射线不偏转
解析：选AC.实验证明，阴极射线是电子，它在电场中偏转时应偏向带正电的极板一侧，可知选项C正确，选项B错误．加上磁场时，电子在磁场中受洛伦兹力，要发生偏转，因而选项D错误．当不加电场和磁场时，由于电子所受的重力可以忽略不计，因而不发生偏转，选项A的说法正确．
5.
汤姆生1897年用阴极射线管测量了电子的比荷(电子电荷量与质量之比)，其实验原理如图所示．电子流平行于极板射入，极板P、P′间同时存在匀强电场E和垂直纸面向里的匀强磁场B时，电子流不会发生偏转；极板间只存在垂直纸面向里的匀强磁场B时，电子流穿出平行板电容器时的偏转角θ＝ rad.已知极板长L＝3.0×10－2 m，电场强度大小为E＝1.5×104 V/m，磁感应强度大小为B＝5.0×10－4 T．求电子比荷．
解析：无偏转时，洛伦兹力和电场力平衡，则eE＝evB
只存在磁场时，有evB＝m，
由几何关系r＝
偏转角很小时，r≈
联立上述各式并代入数据得电子的比荷
＝≈1.3×1011 C/kg.
答案：1.3×1011 C/kg
[课时作业][学生用书P98(单独成册)]
一、单项选择题
1．关于阴极射线，下列说法正确的是( )
A．阴极射线就是稀薄气体导电时的辉光放电现象
B．阴极射线是在真空管内由正极放出的电子流
C．阴极射线是由德国物理学家戈德斯坦命名的
D．阴极射线的比荷比氢原子的比荷小
解析：选C.阴极射线是在真空管中由负极发出的电子流，故A、B错；最早由德国物理学家戈德斯坦在1876年提出并命名为阴极射线，故C对；阴极射线本质是电子流，故其比荷比氢原子比荷大的多，故D错．
2．关于阴极射线的性质，判断正确的是( )
A．阴极射线不带电
B．阴极射线带正电
C．阴极射线的比荷比氢原子比荷大
D．阴极射线的比荷与氢原子比荷相等
解析：选C.通过对阴极射线在电场、磁场中的偏转的研究发现阴极射线带负电，而且比荷比氢原子的比荷大得多，故C项正确．
3．来自宇宙的电子流，沿与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点，则这些电子在进入地球周围的空间时，将( )
A．竖直向下沿直线射向地面
B．相对于预定地点向东偏转
C．相对于预定点稍向西偏转
D．相对于预定点稍向北偏转
解析：选C.赤道上空的磁场方向水平向北，电子流形成电流方向竖直向上，根据左手定则直接判断所受洛伦兹力的方向水平向西，所以选项C正确．
4．向荧光屏上看去，电子向我们飞来，在偏转线圈中通以如图所示电流，电子的偏转方向为( )
A．向上 B．向下
C．向左 D．向右
解析：选A.根据安培定则，环形磁铁右侧为N极、左侧为S极，在环内产生水平向左的匀强磁场，利用左手定则可知，电子向上偏转，选项A正确．
5．如图是电子射线管示意图，接通电源后，电子射线由阴极沿x轴正方向射出，在荧光屏上会看到一条亮线．要使荧光屏上的亮线向下(z轴负方向)偏转，在下列措施中可采用的是( )
A．加一磁场，磁场方向沿z轴负方向
B．加一磁场，磁场方向沿y轴正方向
C．加一电场，电场方向沿z轴负方向
D．加一电场，电场方向沿y轴正方向
解析：选B.由于电子沿x轴正方向运动，若所受洛伦兹力向下，使电子射线向下偏转，由左手定则可知磁场方向应沿y轴正方向；若加电场使电子射线向下偏转，所受电场力方向向下，则所加电场方向应沿z轴正方向，由此可知B正确．
6．如图所示，电子在电势差为U1的电场加速后，垂直射入电势差为U2的偏转电场．在满足电子能射出偏转电场的条件下，下列四种情况中，一定能使电子的偏转角变大的是( )
A．U1变大，U2变大 B．U1变小，U2变大
C．U1变大，U2变小 D．U1变小，U2变小
解析：选B.要使电子的偏转角变大，可以有两种途径：①减小U1使发射速度减小，从而增加偏转时间．②增大U2从而增大偏转力，综合分析得B正确．
二、多项选择题
7．下列说法中正确的是( )
A．汤姆生精确地测出了电子电荷量e＝1.602 177 33(49)×10－19 C
B．电子电荷量的精确值是密立根通过“油滴实验”测出的
C．汤姆孙油滴实验更重要的发现是：电荷量是量子化的，即任何电荷量只能是e的整数倍
D．通过实验测得电子的比荷及电子电荷量e的值，就可以确定电子的质量
解析：选BD.电子的电荷量是密立根通过“油滴实验”测出的，A、C错误，B正确．测出比荷的值和电子电荷量e的值，可以确定电子的质量，故D正确．
8.
如图所示，一只阴极射线管左侧不断有电子射出，若在管的正下方放一通电直导线AB时，发现电子束的径迹往下偏，则( )
A．导线中的电流由A流向B
B．导线中的电流由B流向A
C．若要使电子束的径迹往上偏，可以通过改变AB中的电流方向来实现
D．电子束的径迹与AB中的电流方向无关
解析：选BC.因为导线AB中通有电流，所以会在阴极射线管中产生磁场，电子是因为受到洛伦兹力的作用而发生偏转的，由左手定则可知，阴极射线管中的磁场方向垂直于纸面向里，再根据安培定则可知，AB中的电流方向应是由B流向A.当AB中的电流方向变为由A流向B时，则AB上方的磁场方向变为垂直于纸面向外，电子所受洛伦兹力方向变为向上，电子束的径迹会变为向上偏转．综上所述，B、C正确．
9．如图是密立根油滴实验的示意图．油滴从喷雾器嘴喷出，落到图中的匀强电场中，调节两板间的电压，通过显微镜观察到某一油滴静止在电场中，下列说法正确的是( )
A．油滴带负电
B．油滴质量可通过天平来测量
C．只要测出两板间的距离和电压就能求出油滴所带的电荷量
D．该实验测得油滴所带电荷量等于元电荷的整数倍
解析：选AD.由图知，电容器板间电场方向向下，油滴所受的电场力向上，则知油滴带负电，故A正确．油滴的质量很小，不能通过天平测量，故B错误．根据油滴受力平衡得：mg＝qE＝q，得q＝，所以要测出两板间的距离、电压和油滴的质量才能求出油滴的电量，故C错误．根据密立根油滴实验研究知：该实验测得油滴所带电荷量等于元电荷的整数倍，故D正确．
三、非选择题
10.
如图所示，一束阴极射线自下而上进入一水平方向的匀强电场后发生偏转，则电场方向________，进入电场后，阴极射线粒子的动能将________(选填“减少”“增大”或“不变”)，如果此阴极射线进入的是一垂直于纸面的磁场，则磁场的方向为________，阴极射线的动能变化是________．
解析：因为阴极射线本质为电子，如果是电场，则电子所受电场力方向与电场线方向相反，故电场方向水平向左，电子所受的电场力方向向右，则电场力做正功，因此其动能增大．如果是磁场，则电子在磁场中受洛伦兹力做圆周运动，由左手定则得磁场方向垂直纸面向里，且洛伦兹力不做功，动能不变．
答案：水平向左 增大 垂直纸面向里 不变
11．如图所示．A、B为两块足够大的平行金属板，接在电压为U的电源上．在A板的中央P点处放置一个电子发射源，可以向各个方向释放电子．设电子的质量为m、电荷量为e，射出的初速度为v，求电子打在B板上的区域面积(不计电子的重力)．
解析：从P处发射出来的电子，奔向B板的运动轨迹类似抛体运动，其中沿平行于A板方向发出的电子，在电场中做类平抛运动，射程最大，打在B板上的范围为一圆形区域．
研究打在最边缘处的电子，即从P处平行于A板发出的电子，它们做类平抛运动，在平行于A板的方向做匀速直线运动．
r＝vt ①
d＝at2＝××t2 ②
由①②解得电子打在B板上的圆形半径r＝dv
圆形面积S＝πr2＝.
答案：
12．已知电子的质量m＝9.1×10－31kg，电子电荷量e＝1.6×10－19 C，它以初速度v0＝3.0×106 m/s沿着与电场垂直的方向射入宽度l＝6.0×10－2 m的匀强电场中，场强大小为E＝2×103 N/C，方向如图所示．求：
(1)电子在电场中的运动时间；
(2)电子飞离电场时的速度大小与方向；
(3)电子飞离电场时发生的侧移量y.
解析：电子在电
场中的运动轨迹如图所示
(1)电子在电场中的运动时间
t＝＝ s＝2.0×10－8 s.
(2)电子在电场中只受电场力作用，沿电场方向加速度
a＝＝ m/s2≈3.5×1014 m/s2电子飞离电场时沿电场方向的速度分量
vy＝at＝3.5×1014×2.0×10－8 m/s＝7.0×106 m/s
电子飞离电场时的速度大小为
vt＝eq \r(v＋v)＝ m/s
≈7.6×106 m/s
偏转角的正切值tan θ＝＝≈2.33
偏转角θ＝arctan 2.33≈66.8°.
(3)偏转的侧移量y＝at2＝×3.5×1014×(2.0×10－8)2 m＝7.0×10－2 m.
答案：(1)2.0×10－8 s (2)7.6×106 m/s 速度方向偏离原方向66.8° (3)7.0×10－2 m
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