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第十三章 原子结构第一、二节电子的发现原子的核式结构模型选修系列金山世外普高综合大组Kimmy道尔顿
1766—1844
气体、液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成的。
19 世纪上半叶，随着人类对电磁现象认识的深入和真空技术的发展，物理学家在研究真空放电现象的过程中发现了阴极射线。
电磁波
带电粒子流
阴极射线的本质引起了众多科学家的讨论
阴极金属
阳极金属
荧光屏
狭缝
高压
汤姆逊
1856—1940
观察现象
荧光屏上有荧光
提出疑问
射线是由什么组成的？
认知基础
物质由原子组成
原子呈电中性
得出结论
阴极射线由带电粒子组成（负电）
推理与假设
是原子组成的吗？
射线弯折
外加电场
思维拓展
该粒子本质是什么？
是原子抑或是其他？
直流高压电源
阴极K
阳极A
I
I
P
O
D
C
载流线圈
接直流电源的
平行金属板
+

+


为了给这种粒子“验明正身”，J. J. 汤姆孙用了两种不同的方法测定了阴极射线中粒子的比荷，所得的结果相近。其中一种方法便是利用如图所示的静电偏转管，通过分析静电场和磁场对带电粒子的偏转作用获得粒子的比荷*。
比荷*
带电粒子的电荷量和其质量的比值叫荷质比 。
例如电子的比荷为
v
电偏转结构：
粒子经由前段的直流高压电源加速，获得速度为v。当C、D 间不施加偏转电压，平行金属板 C、D 的长度 l 。
得 C、D 间偏转电场的电势差 U，平行金属板 C、D 的间距为d，粒子在电场的作用下会发生偏转，从偏转电场右边界直至 O、P 两处的粒子直线径迹间的夹角 θ。
+

O
P
D
C
d
l
θ
根据运动的合成和分解，粒子经过极板的时间不变
显然我们计算粒子经过两极板的时间为
极板间电场强度为
粒子受电场力为
根据牛顿第二定律
由题意的离开电场的速度偏转角满足
联立各条可得粒子的比荷为
请同学们分析，上述与粒子比荷有关的物理量中哪些数据不易测量？
磁偏转结构：
粒子在只有电场偏转的情况下往正极板靠近，说明粒子带负电荷。
v
+

O
P
D
C
d
l
θ
磁偏转结构立体图
O
I
I
v
B
B
O
v
电偏转结构立体图
磁偏转结构平面图
电场强度E竖直向下
电场力F竖直向上
磁感应强度B垂直纸面向内
洛伦兹力f洛偏下
磁偏转结构：
磁场和电场对粒子的作用效果相反，通过调节偏转电压U和磁感应强度B，是的粒子在C、D之间所受电场力和洛伦兹力平衡，粒子便无偏转的沿着直线射至到荧光屏O处。
+

O
D
C
l
I
I
B
速度选择器-选必二第20页
v
d
粒子受电场力为
粒子受洛伦兹力为
结合上述测得粒子的比荷为
联系各式子
J. J. 汤姆孙改变静电偏转管中的气体和阴极材料重复上述实验，所得到的比荷数量级都一致，即q/m ≈ 1011C/kg。
发现电子的意义：
+

O
D
C
l
I
I
B
v
d
电解氢离子的电荷量大小相近。这有力地证明阴极射线中带负电的粒子的质量约为氢离子质量的 1/2000。
J. J. 汤姆孙不仅测量了电子的比荷，还通过各项实验测量阴极射线粒子的电荷量约为1.1×10-19C。（1898年）
电子的才算正式被发现
美国科学家密立根测量了电子相关参数：（1913年）
电荷量的大小为 1.60×10 19 C
质量为 9.11×10 31 kg。
J. J. 汤姆孙的研究和实验过程也对人类的科学思想和物理学的研究方法产生了极为深远的影响。
“枣糕模型”可以解释化学元素周期律，但不能解释光谱现象。
汤姆孙
枣糕模型
汤姆孙的发现打破了传统的“原子不可分割”的旧观念，并使人类认识了第一个比原子小的微观粒子——电子。
J. J. 汤姆孙根据已有的实验事实，通过提出假说、构建物理模型等方法，提出了“枣糕模型”。
电子
带正电的物质
1908年，卢瑟福指导他的助手用高速飞行的α粒子轰击厚度为0.4μm 的金箔，希望通过α粒子运动路径发生偏转的程度研究靶原子（金原子）的结构。这个实验被称为 α 粒子散射实验。
新西兰 卢瑟福
1871-1937
金箔
钋
铅盒
荧光屏
显微镜
接真空泵
钋
铅盒
金箔
荧光屏
显微镜
θ
(a) α 粒子散射实验装置剖面图
(b) α 粒子散射角
α 粒子散射实验
绝大多数α粒子穿过金箔后，与原来的运动方向偏离不多
少数α粒子发生了较大的偏转
极少数α粒子的偏转超过90°（1/8000）
个别α粒子被反弹回来（1/20000）
理论结果和实验结果不相符。且无法解释大角度偏转。
因此α 粒子散射实验的结果无法用“枣糕模型”解释。
因为 α 粒子穿过原子时，原子内部均匀分布的正电荷对它的斥力有相当大一部分互相抵消。
原子内的电子与 α 粒子的碰撞也不会使 α 粒子的运动方向发生明显的变化。
电子的质量远小于α 粒子
α 粒子散射实验
“枣糕”模型模拟的实验结果
正电荷集中在原子内部
很小的一个区域
原子中的什么物质把带正电的α粒子弹回来了？为什么有个别的α粒子被反弹了回来？
极个别α粒子被反弹回来（1/20000）
集中正电荷的区域质量也很大
通过严谨的理论推导，1911 年卢瑟福发表了原子的核式结构模型
α 粒子散射实验
核式结构模型模拟的实验结果
α 粒子散射实验
α 粒子穿过金属箔片的过程中受到金属原子核的库仑斥力。
由于原子核相当小，大部分 α 粒子离原子核较远，受到的库仑斥力很弱，因而运动方向的改变就很小；
只有当 α 粒子十分接近原子核时，才会受到很强的库仑斥力作用而发生大角度散射。
α 粒子
+
+
+
+
+
+
原子的核式结构模型有些类似太阳系，原子核犹如太阳，电子犹如行星，所以也被称为原子的“行星模型”。
卢瑟福模型标志着人类对原子结构的认识迈出了一大步。
F
F
α 粒子散射实验
F
α 粒子散射实验
α 粒子散射实验
示例1 卢瑟福通过 粒子散射实验，判断出原子的中心有一个很小的核，并由此提出了原子的核式结构。如图所示的平面示意图中，①、②两条实线表示 粒子运动的轨迹，则沿③所示方向射向原子核的 粒子可能的运动轨迹为虚线中的（ ）
（A）A
（B）B
（C）C
（D）D
A
原子的核式结构模型
根据卢瑟福的原子结构模型，原子内部是十分“空旷”的。
举一个简单的例子：
体育场
原子
原子核
原子半径： 10-10m
原子核半径： 10-15m
课堂小结
卢瑟福发现了原子核并且提出了原子核式结构模型（又称为“行星模型”）。
J.J.汤姆孙发现了电子并且提出了“枣糕模型”
课堂作业
作业1

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