第1节-电子的发现

第第1 1节节-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 科学靠两条腿走路，一是理论，一是科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验。有时一条腿走在前面，有时另一条实验。有时一条腿走在前面，有时另一条腿走在前面。但只有使用两条腿，才能前腿走在前面。但只有使用两条腿，才能前进。进。密立根第一节第一节 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回顾：公元前5世纪，希腊哲学家德谟克利特等人认为：万物是由大量的不可分割的微粒构成的，即原子。19 19世纪初，英国科学家道尔顿提出近代原世纪初，英国科学家道尔顿提出近代原子学说，他认为原子是微小的不可分割的实心球体子学说，他认为原子是微小的不可分割的实心球体,物物质由原子组成质由原子组成,原子不能被创造原子不能被创造,也不能被毁灭也不能被毁灭,在化学在化学变化中变化中原子不可分割原子不可分割,他们的性质在化学反应中保持不他们的性质在化学反应中保持不变。变。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1：电磁辐射和带电微粒最大的区别是什么？：电磁辐射和带电微粒最大的区别是什么？思考思考2：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.汤姆孙自汤姆孙自18901890年起开始研究，对阴极射线进行了一系年起开始研究，对阴极射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。列的实验研究。他认为阴极射线是带电粒子流。实验验证实验验证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，是一个重要的物理量。根据带电粒子在电场和磁场中受一个重要的物理量。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。下力的情况，可以得出组成阴极射线的微粒的比荷。下面我们自己算一算。面我们自己算一算。1.当金属板当金属板D1、D2之间未加电场时，射线不偏转，射之间未加电场时，射线不偏转，射在屏上在屏上P1点。施加电场点。施加电场E之后，射线发生偏转并射到之后，射线发生偏转并射到屏上屏上P2处。由此可以推断阴极射线带有什么性质的电处。由此可以推断阴极射线带有什么性质的电荷？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？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汤姆逊管汤姆逊管 设粒子质量为设粒子质量为m，带电，带电荷为荷为e,受到磁场力和电场力受到磁场力和电场力的作用，如果不发生偏转，的作用，如果不发生偏转，则受力平衡则受力平衡:电场力：电场力：磁场力：磁场力：3.由于金属板由于金属板D、F间的距离是已知的，两板间的电压间的距离是已知的，两板间的电压是可测量的，所以两板间的电场强度是可测量的，所以两板间的电场强度E也是已知量也是已知量E=?。磁感应强度。磁感应强度B可以由电流的大小算出，同样按可以由电流的大小算出，同样按已知量处理。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的粒子年，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。流并求出了这种粒子的比荷。当汤姆孙在测定比荷实验时发现，用不同材料的阴极做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，这表明什么？实验，所发出射线的粒子都有相同的比荷，这表明什么？这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物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）。）。J.J.汤姆逊在掌握大量实验事实的基础上，于汤姆逊在掌握大量实验事实的基础上，于1899年果断地做出年果断地做出结论结论：不论是阴极射线、不论是阴极射线、射线还是光电流射线还是光电流,都是电子都是电子组成的组成的;不论是由于强电场的电离、正离子的轰击、紫外不论是由于强电场的电离、正离子的轰击、紫外光的照射、金属受灼热还是放射性物质的自发辐射光的照射、金属受灼热还是放射性物质的自发辐射,都发射出同样的带电粒子都发射出同样的带电粒子-电子；电子；这种带电粒子比原子小千倍，可见，电子是原子这种带电粒子比原子小千倍，可见，电子是原子的组成部分，是物质的最基本单位。的组成部分，是物质的最基本单位。电子是原子的组成部分，是比原电子是原子的组成部分，是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=1.602210 e=1.6022101919 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=9.109410 m=9.1094103131 kg kg质子质量与电子质量的比值：质子质量与电子质量的比值：在继承中发展，这是科学研究的正确方法。但在继承中发展，这是科学研究的正确方法。但是在认识发展的过程中要有敢于创新，敢于突破传是在认识发展的过程中要有敢于创新，敢于突破传统观念束缚的勇气。正如英国科学家贝尔纳所说：统观念束缚的勇气。正如英国科学家贝尔纳所说：“发现的最大困难，在于摆脱一些传统的观念发现的最大困难，在于摆脱一些传统的观念。”面对荷质比的测定结果，只有汤姆逊认为它可面对荷质比的测定结果，只有汤姆逊认为它可以不是传统原子、分子微粒，而是一种新的、前人以不是传统原子、分子微粒，而是一种新的、前人从未见到过的比原子、分子微粒小得多的带电粒子。从未见到过的比原子、分子微粒小得多的带电粒子。要敢于突破传统观念要敢于突破传统观念 J.J.汤姆逊，汤姆逊，1856年年12月月18日生于英国，日生于英国，1884年任卡文迪许实验室教授，这个实验室在他的领导年任卡文迪许实验室教授，这个实验室在他的领导下，成了全世界引人注目的物理实验中心，世界各下，成了全世界引人注目的物理实验中心，世界各地的科学家常来这里开展研究工作，其中有八位后地的科学家常来这里开展研究工作，其中有八位后来获得诺贝尔奖，如卢瑟福、威尔逊、巴克拉、来获得诺贝尔奖，如卢瑟福、威尔逊、巴克拉、G.P.汤姆逊等，如后表所示，这八位获奖者是他直接汤姆逊等，如后表所示，这八位获奖者是他直接培养过的，卡文迪许实验室获得诺贝尔奖的共有培养过的，卡文迪许实验室获得诺贝尔奖的共有25人次。人次。电子发现对现代科学和技术发展的深远意义电子发现对现代科学和技术发展的深远意义1.电子的发现，打破了原子不可分的经典的物质电子的发现，打破了原子不可分的经典的物质 观，宣告原子不是构成物质的最小单元，它具观，宣告原子不是构成物质的最小单元，它具 有内部结构，是可分的。有内部结构，是可分的。2.三大发现中电子的发现是与微观物质组成有最三大发现中电子的发现是与微观物质组成有最 直接的关系，它是组成原子的普适成分，它的直接的关系，它是组成原子的普适成分，它的 质量比氢原子要小三个量级。质量比氢原子要小三个量级。3.电子的问世开辟了电子技术的新时代。电子的问世开辟了电子技术的新时代。于于1906年荣获诺贝尔物理学奖。年荣获诺贝尔物理学奖。J.J.汤姆逊被誉为汤姆逊被誉为“一位最一位最先打开通向基本粒子物理学大门先打开通向基本粒子物理学大门的伟人的伟人”.从此从此,人类进入微电子科技时代人类进入微电子科技时代.电子是人类发现的第一个电子是人类发现的第一个(基本基本)粒子。对粒子进粒子。对粒子进行探索和研究的帷幕从此拉开。行探索和研究的帷幕从此拉开。摩尔定律摩尔定律摩尔定律：摩尔定律：芯片所集成的晶体管数目与功效每芯片所集成的晶体管数目与功效每18个个月都要翻一番，而价格则下降。月都要翻一番，而价格则下降。1965年年4月月19日面向电子工日面向电子工程师的杂志程师的杂志Electronics上，上，时任时任Fairchild 半导体公司研发半导体公司研发部主任的戈登部主任的戈登.摩尔博士用一个摩尔博士用一个富于动感的标题，发表了一篇富于动感的标题，发表了一篇必将永为经典的文章：给集必将永为经典的文章：给集成电路塞上更多的元件成电路塞上更多的元件.“Theres plenty of room at the bottom”1960年年,美国和苏联正在美国和苏联正在紧锣密鼓争夺太空的时候紧锣密鼓争夺太空的时候,理理查德查德.费曼说费曼说“其实我们人类花其实我们人类花那么大的力气去争夺外太空那么大的力气去争夺外太空,还不如多花些功夫到针尖上还不如多花些功夫到针尖上面面,“其实我们人类花那么大其实我们人类花那么大的力气去争夺外太空的力气去争夺外太空,还不还不如多花些功夫到针尖上面如多花些功夫到针尖上面”.像像DNA那样记录信息那样记录信息 “我们为什么不把整个我们为什么不把整个24卷卷大英百科全书都抄写到一个针尖大英百科全书都抄写到一个针尖上面去呢？上面去呢？”费曼给提出一挑战费曼给提出一挑战”为什么我为什么我们不把计算机造这么小呢？们不把计算机造这么小呢？”他从物理学的角度讲解了在他从物理学的角度讲解了在小型化的过程中小型化的过程中,如何解决散热的如何解决散热的问题问题,如何解决信息的读与写的问如何解决信息的读与写的问题题,如何保证微小世界里面机器工如何保证微小世界里面机器工作的稳定性问题作的稳定性问题 第一项给第一个能够把第一项给第一个能够把一页书的信息都纪录到页面一页书的信息都纪录到页面的的 1/25,000 面积上的人士奖面积上的人士奖励励1000美元；美元；第二项，给第一个能够第二项，给第一个能够在在1/64 英寸大小的空间里面英寸大小的空间里面造出一台能够通电转动的电造出一台能够通电转动的电动机的人士，也奖励动机的人士，也奖励1000美美元。元。使用使用45nm工艺的工艺的300mm晶元晶元 费曼为了鼓励人们走向微小世界，实现他所憧费曼为了鼓励人们走向微小世界，实现他所憧憬的能够把一切机器包括计算机都缩小的世界，他憬的能够把一切机器包括计算机都缩小的世界，他建立了两个奖项：建立了两个奖项：电子管时代的计算机（电子管时代的计算机（19111946）ENIAC总共安装总共安装17468只电子管只电子管,7200个二极管个二极管,70000多电阻器多电阻器,10000多只电容器和多只电容器和6000只继电器只继电器,电路的焊接点多达电路的焊接点多达50万个万个,机器被安装在一排机器被安装在一排2.75米米高的金属柜里高的金属柜里,占地为占地为170平方米左右平方米左右.Electronic Numerical Integrator And Computer 晶体管时代的计算机（晶体管时代的计算机（19471958）以电子管为逻辑部以电子管为逻辑部件件,以阴极射线管、磁芯以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。和磁鼓等为存储手段。软件上采用机器语软件上采用机器语言言,后期采用汇编语言。后期采用汇编语言。贝尔实验室用贝尔实验室用 800只晶体管组装了世界上只晶体管组装了世界上第一台晶体管计算机第一台晶体管计算机TRADIC。集成电路时代的计算机（集成电路时代的计算机（19591970）IBM360计算机问世计算机问世,标志着第三代标志着第三代计算机的全面登场计算机的全面登场,这也是这也是IBM历史历史上最为成功的机型。上最为成功的机型。1965年年:PDP-8型计算机型计算机标志着小型机时代到来。标志着小型机时代到来。微处理器时代的计算机（微处理器时代的计算机（19711979）1971年电子新闻记年电子新闻记者唐者唐 赫夫勒依据半导体中赫夫勒依据半导体中的主要成分硅命名了当时帕的主要成分硅命名了当时帕洛阿托地区洛阿托地区,硅谷由此得名硅谷由此得名.INTEL的特德的特德.霍夫研制霍夫研制成功了第一枚能够实际工作成功了第一枚能够实际工作的微处理器的微处理器4004,该处理器该处理器在面积约在面积约12平方毫米的芯片平方毫米的芯片上集成了上集成了2250个晶体管个晶体管,运运算能力足以超过算能力足以超过ENICA.PC时代的计算机时代的计算机 习题：习题：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为为发射热电子的阴极，发射热电子的阴极，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间电压为间电压为U U。电子离开阴极是速度可以忽略，电子经。电子离开阴极是速度可以忽略，电子经加速后从加速后从K K的小孔中射出时的速度大小为的小孔中射出时的速度大小为v v，下面说法，下面说法正确的是：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，则离开时速率不变，则离开时速率变为变为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，则离开时速率不变，则离开时速率变为变为v/2 v/2 C C、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，则离开时速率减半，则离开时速率变为变为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，则离开时速率减半，则离开时速率变为变为0.707v0.707vA AK KU U