第十八章 原子结构.docx

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1、第十八章原子结构科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验。有时一条腿走在前面，有时另一条腿走在前面。但只有使用两条腿，才能前进。——密立根密立根（R．A．Millikan，1868-1953），美国物理学家，因精确测量电子电荷及实验验证光电效应方程获1923年诺贝尔物理学奖。每当夜幕降临，远远近近的灯光渐次亮起，与天空中闪烁的繁星交相辉映，汇成一幅璀璨的画面。在节假日和重大庆祝活动的夜晚，座座城市更是被灯光装点得热烈而庄重。在欣赏这美丽的灯光时，你可曾意识到，这里发光的多是通电后的气体？若想了解其中的奥秘，让我们直奔主题，从原子的结构入手吧。第十八章1电子的发现19

2、世纪末，科学家们发现了电子，从而认识到：原子是可以分割的，是由更小的微粒组成的。阴极射线演示如图18.1-1，真空玻璃管中K是金属板制成的阴极，A是金属环制成的阳极；把它们分别连接在感应圈的负极和正极上。管中十字状物体是一个金属片。接通电源后，感应圈产生的近万伏的高电压加在两个电极之间，观察管端玻璃壁上亮度的变化。图18.1-1玻璃管壁上的荧光及阴影早在1858年，德国物理学家普吕克尔就在类似的实验中看到了玻璃壁上淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影。1876年，另一位德国物理学家戈德斯坦认为管壁上的荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，并把这种射线

3、命名为阴极射线（cathoderay）。19世纪后期，对阴极射线的本质的认识有两种观点。一种观点认为阴极射线像X射线一样是电磁辐射，另一种观点认为阴极射线是带电微粒。两种观点的支持者争执不下，谁也说服不了谁。为了找到有利于自己的证据，双方都做了很多实验。思考与讨论根据带电粒子在电、磁场中的运动规律，哪些方法可以判断运动的带电粒子所带电荷的正负号？电子的发现英国物理学家J．J．汤姆孙（J．J．Thomson，1856-1940）认为阴极射线是带电粒子流。为了证实这点，从1890年起他进行了一系列实验研究。图18.1-2是他当时使用的气体放电管的示意图。由阴极K发出

4、的带电粒子通过小孔A、B形成一束细细的射线。它穿过两片平行的金属板D1、D2之间的空间，到达右端带有标尺的荧光屏上。通过射线产生的荧光的位置，可以研究射线的径迹。图18.1-2汤姆孙的气体放电管的示意图在《选修3-1》中曾有一个演示，用来研究磁场对运动电荷的作用力。那时我们就已经接触过阴极射线了。思考与讨论带电粒子的电荷量与其质量之比——比荷，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，可以得出它的比荷。假设你是当年“阴极射线是带电微粒”观点的支持者，请你依照下面的提示自己算一算组成阴极射线的微粒的比荷。1．当图18.1-2中金属板D1、D2之间未

5、加电场时，射线不偏转，射在屏上P1点。按图示方向施加电场E之后，射线发生偏转并射到屏上P2点。由此推断，阴极射线带有什么性质的电荷？2．为了抵消阴极射线的偏转，使它从P2点回到P1，需要在两块金属板之间的区域再施加一个大小合适、方向垂直于纸面的磁场。这个磁场B应该向纸外还是向纸内？写出此时每个阴极射线微粒（质量为m，速度为v）受到的洛伦兹力和库仑力。两个力之间应该有什么关系？3．根据以上关系求出阴极射线的速度v的表达式。由于金属板D1、D2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E是已知量。磁场由电流产生，磁感应强度B可以由电流的大小算出，

6、因此也按已知量处理。4．去掉D1、D2间的电场E，只保留磁场B。由于磁场方向与射线运动方向垂直，阴极射线在D1、D2之间有磁场的区域会形成一个半径为r的圆弧，使得阴极射线落在屏的P3点。此时，组成阴极射线的粒子做圆周运动的向心力是洛伦兹力。半径r可以通过P3点的位置算出，同样按已知量处理。按照以上提示就可以写出比荷的表达式了。这里要用到步骤2中求出的阴极射线速度v的表达式。1897年，汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流并求出了这种粒子的比荷。汤姆孙发现，用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都是相同的。这说明不同物质都能发射

7、这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。由实验测得的阴极射线粒子的比荷是氢离子比荷的近两千倍。他认为，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。后来，汤姆孙直接测到了阴极射线粒子的电荷量，尽管测量不很准确，但足以证明这种粒子电荷量的大小与氢离子大致相同。由此可以看出他当初的猜测是正确的。后来，组成阴极射线的粒子被称为电子（electron）。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，粒子还可能来自管中的气体。发现电子以后，汤姆孙又进一步研究了许多新现象，如光电效应、热离子发射效应和β射线等。他发

8、现，不论阴极射线、β射线