阴极射线是低压气体放电过程中出现的一种奇特现象

1、第一节第一节 电子的发现电子的发现 19世纪是电磁学大发展的时期世纪是电磁学大发展的时期, 到七、八十年到七、八十年代电气工业开始有了发展代电气工业开始有了发展, 发电机、变压器和发电机、变压器和高压输电线路逐步在生产中得到应用，然而，高压输电线路逐步在生产中得到应用，然而，漏电和放电损耗非常严重，成了亟待解决的问漏电和放电损耗非常严重，成了亟待解决的问题。同时，电气照明也吸引了许多科学家的注题。同时，电气照明也吸引了许多科学家的注意。这些问题都涉及意。这些问题都涉及低压气体放电现象低压气体放电现象，于是，于是，人们竞相研究与低压气体发电现象有关的问，人们竞相研究与低压气体发电现象有关的问题。

2、题。阴极射线是低压气体放电过程中出现的一阴极射线是低压气体放电过程中出现的一种奇特现象，种奇特现象，对其本性的研究导致了英国学派对其本性的研究导致了英国学派的的微粒说微粒说和德国学派的和德国学派的以太论。以太论。 电子的发现电子的发现 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表明原子是可以分割的，是由更小的微粒组成的。表明原子是可以分割的，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

3、一种奇特的现象-实验中看到玻璃管壁上淡淡的实验中看到玻璃管壁上淡淡的荧光荧光及管中物体在及管中物体在玻璃上的玻璃上的倒影倒影. . 18761876年德国物理学家戈德斯年德国物理学家戈德斯坦研究后认为坦研究后认为: :管壁上的荧光管壁上的荧光是由于玻璃受到阴极发出的某是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而起的种射线的撞击而起的, ,并把它并把它命名为命名为阴极射线阴极射线. .阴极射线阴极射线一种观点认为阴极射线象一种观点认为阴极射线象x x射线一样是电磁波射线一样是电磁波. .另一另一种观点认为是带电微粒种观点认为是带电微粒 阴极射线的本质阴极射线的本质思考思考1：电磁波和带电微粒最大的区

4、别是什么？：电磁波和带电微粒最大的区别是什么？思考思考2：根据带电粒子在电场、磁场中的运动规律，根据带电粒子在电场、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你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？荷的正负号？把带电粒子引入到电场或磁场会偏转把带电粒子引入到电场或磁场会偏转,从而可判电从而可判电荷的正负荷的正负.电磁波不带电而带电微粒正电或负电电磁波不带电而带电微粒正电或负电. 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，对阴极对阴极射线进行了一系列的实验研究。他认为射线进行了一系列的实验研究。他认为阴极射

5、线是带电粒子流。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(见见p48页页) 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

6、你依照下面的提示自己算一算。建议你依照下面的提示自己算一算。v1. 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。点。v施加电场施加电场e之后，射线发生偏转并射到屏上之后，射线发生偏转并射到屏上p2处。处。由此可以推断阴极射线带有什么性质的电荷？由此可以推断阴极射线带有什么性质的电荷？v负电荷负电荷.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

7、的磁场。小、方向合适的磁场。 这个磁场的方向是如何这个磁场的方向是如何? 垂直向外垂直向外 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bev eqqvb v3.由于金属板由于金属板d1、d2间的距离间的距离d是已知的，两板间是已知的，两板间的电压的电压u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也也是已知量是已知量e=?。磁感应强度。磁感应强度b可以由电

8、流的大小算可以由电流的大小算出，同样按已知量处理。速度又如何表示出，同样按已知量处理。速度又如何表示?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bduv 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

9、洛仑兹力洛仑兹力rvmbqv2brvmqdrbu2由以上的提示由以上的提示,如如何求比荷何求比荷?研究的结论研究的结论 18971897年，汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场的年，汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场的偏转情况得出阴极射线的本质是带负电的粒子流偏转情况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。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

10、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。mqdrbu2这可能表示阴极射线粒子电荷量的大小与一个氢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多。离子一样，而质量比氢离子小得多。 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汤姆孙猜测：汤姆孙猜测： 而且他测得比荷而且他测得比荷 约为当时知道的氢离子比荷的约为当时知道的氢离子

11、比荷的20002000倍左右。倍左右。mq那么是电子的电荷比氢离子大？还是质量比氢离子小？那么是电子的电荷比氢离子大？还是质量比氢离子小？ 进一步拓展研究对象：用不同的材料做成的阴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、热离子发射效应实验、极做实验，做光电效应实验、热离子发射效应实验、射线射线（研究对象普遍化）。都包含着电子（研究对象普遍化）。都包含着电子. .电子是原子的组成部分，是比原电子是原子的组成部分，是比原子更小的基本的物质单元。子更小的基本的物质单元。实验的再研究实验的再研究 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

12、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： 结论结论: :由于电子的发现，人们认识到原子不是组成物质的最小由于电子的发现，人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也是具有结构的。微粒，原子本身也是具有结构的。此后，围绕着原子结构的问题，原子物理以飞跃的速度此后，围绕着原子结构的问题，原子物理以飞跃的速度发展发展,人们对物质结构的认识进入了一个新时代。人们对

13、物质结构的认识进入了一个新时代。 汤姆生发现电子的意义汤姆生发现电子的意义: 在在19世纪末，物理学有三项重大的实验发现，世纪末，物理学有三项重大的实验发现，这就是这就是x射线、放射性和电子的发现射线、放射性和电子的发现。电子的发现具有更伟大的意义，因为这一事件使人们认电子的发现具有更伟大的意义，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。电子的发现打开了识到自然界还有比原子更小的实物。电子的发现打开了通向原子物理学的大门通向原子物理学的大门 ,人们开始研究原子的结构人们开始研究原子的结构 .1897年汤姆生发现电子，是物理学史上的重要事件。年汤姆生发现电子，是物理学史上的重要事件。思

14、考思考: 电子的发现使人们认识到原子不是构成物质电子的发现使人们认识到原子不是构成物质的最小微粒的最小微粒,原子本身也具有结构原子本身也具有结构,而通常情况而通常情况下下,物质是不带电的物质是不带电的,原子是中性的原子是中性的. 然而电子带负电然而电子带负电,且质量又小且质量又小,那么原子中一那么原子中一定还有带正电的部分定还有带正电的部分,它具有大部分的质量它具有大部分的质量. 那么带正电的部分和带负电的电子又是如何那么带正电的部分和带负电的电子又是如何分布的呢分布的呢? 1.1.阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的高速运动的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，这些微观粒子是粒

15、子流，这些微观粒子是 若在如图所示的阴极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，阴极射线将射线管中部加上垂直于纸面向里的磁场，阴极射线将(填填“向上向上”“”“向下向下”“”“向里向里”“”“向外向外”)偏偏转转练习题练习题电子电子向下向下 2.2.伦琴射线管是用来产生伦琴射线管是用来产生x x射线的一种装置，构造如图射线的一种装置，构造如图所示。真空度很高（约为所示。真空度很高（约为1010-4-4帕）的玻璃泡内，有一个帕）的玻璃泡内，有一个阴极阴极k k和一个阳和一个阳 极极a a，由阴极发射的电子受强电场的，由阴极发射的电子受强电场的作用被加速后打到阳极，会产生包括作用被加

16、速后打到阳极，会产生包括x x光内的各种能量光内的各种能量的光子，其中光子能量最大值等于电子的动能。已知阳的光子，其中光子能量最大值等于电子的动能。已知阳极和阴极之间的电势差极和阴极之间的电势差u，普朗克常数，普朗克常数h，电子电量，电子电量e和和光速光速c，则可知该伦琴射线管发出的，则可知该伦琴射线管发出的x x光的光的 （）a.a.最短波长为最短波长为 b. b.最长波长为最长波长为 c.c.最小频率为最小频率为 d. d.最大频率为最大频率为 d3.如图所示，阴极如图所示，阴极k发出的电子经加速电压加速后，穿发出的电子经加速电压加速后，穿过过a中心的小孔沿中心轴中心的小孔沿中心轴o1o的

17、方向进入到两块水平正对的方向进入到两块水平正对放置的平行极板放置的平行极板p和和p间的区域当极板间不加偏转电压间的区域当极板间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心时，电子束打在荧光屏的中心o点处，形成了一个亮点；点处，形成了一个亮点；加上偏转电压加上偏转电压u后，亮点偏离到后，亮点偏离到o点，点，(o与与o点的竖直间点的竖直间距为距为d，水平间距可忽略不计，水平间距可忽略不计)此时，在此时，在p和和p间的区域，间的区域，再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场当磁感应强再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场当磁感应强度的大小为度的大小为b时，亮点重新回到时，亮点重新回到o点已知极板水平方向点已

18、知极板水平方向的长度为的长度为l1，极板间距为，极板间距为b，极板右端到荧光屏的距离为，极板右端到荧光屏的距离为l2 (如图所示如图所示) (1)求打在荧光屏求打在荧光屏o点的电子速点的电子速度的大小。度的大小。(2)推导出电子的比荷推导出电子的比荷(电子的电电子的电荷量与质量之比荷量与质量之比)的表达式的表达式eeevb be：v 得bbuv 竖直方向竖直方向 mbeua 水平作匀速运动，水平作匀速运动， vlt11 竖直向上偏转的距离为竖直向上偏转的距离为 21121atd 由类平抛运动的几何关系得：由类平抛运动的几何关系得：d1 =dlll21122 可解得可解得 )2/(1212llblbudme解解:(1) 电子做匀速运动时电子做匀速运动时:bmvuel2212，当只有电场时)2(作业题作业题1.氢原子的核外电子的质量为氢原子的核外电子的质量为m,电量为电量为e,在离核在离核最近的轨道上运动时的半径为最近的轨道上运动时的半径为r.求求:(1)电子运动的动能电子运动的动能.(2)电子绕核运动时的频率电子绕核运动时的频率(3)电子绕核相当于环形电流的电流大小电子绕核相当于环形电流的电流大小. 电子绕核做圆周运动解 1：rek2rvm2221mvek动能rke22 f频率2t1 v式求出由1mrke2rvf2mrkre2 ：环形电