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电子的发现|汤姆孙发现电子|阴极射线

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电子

电子是构成原子的粒子之一。电子的质量极小,带负电荷,不同的原子拥有的电子数目不同。例如,每一个碳原子中含有6个电子,每一个氧原子中含有8个电子。

电子带负电,围绕原子核旋转。能量高的电子离原子核较远,能量低的离核较近。通常将电子在离核远近不同的区域内运动称为电子的分层排布(见高中化学课本)。

电子通常用符号e来表示;电子的质量很小,为9.10938215(45)×10⁻³¹千克。接下来,我们主要探讨的是电子的发现过程。

电子

阴极射线

什么是阴极射线?阴极射线是在1858年利用低压气体放电管研究气体放电时发现的,阴极射线与电子的发现息息相关。

如图所示,真空玻璃管中的C与高压电源的负极相连,为阴极,金属管AB与高压电源的正极相连,为阳极。

当高压电源接通时,在C与AB间,会产生极大的高压(电场强度)。

通过观察会发现,有一束类似于光的特殊的“射线”,从C(阴极)发出,通过金属管AB后,打在图右侧的屏F上。

由于这束“射线”是从阴极释放的,我们诚挚为阴极射线。

进一步,可通过在金属管AB右侧施加偏转电场,我们还会观测到这束阴极射线发生明显的偏转。

接下来,我们再来探讨科学家汤姆孙发现电子的过程。

阴极射线

电子的发现/汤姆孙发现电子

1897年约瑟夫·约翰·汤姆孙根据放电管中的阴极射线在电磁场和磁场作用下的轨迹确定阴极射线中的粒子带负电,并测出其荷质比,这在一定意义上是历史上第一次发现电子,12年后美国物理学家罗伯特·安德鲁·密立根用油滴实验测出了电子的电荷。下面我们来具体阐述。

电子的发现

1858年“阴极射线”被发现,它是由什么组成的,一直众说纷纭,并引起了一场英、法、德科学家的大争论。

由德国一些物理学家组成的论战一方主张,阴极射线是以太的特殊振动;由英国、法国一些物理学家组成的论战另一方认为,阴极射线是带负电的粒子流.问题一直得不到公认。本来,克鲁克斯在1879年的几个实验就足以证明粒子论者的观点是正确的,但由于当时普遍认为原子不可再分,因而不能解释勒纳德在1893年将“阴极射线”引出阴极管外的现象,致使论战截至伦琴射线发现时还未结束。到1897年,汤姆生走上了科学实验的舞台,他用不同的方法测定了阴极射线粒子的荷质比,证明它们是一种更基本的粒子,导致了电子的发现,以致真相大白。

枣糕模型

枣糕模型(又称梅子布丁模型、汤姆孙模型、葡萄干布丁模型),是物理学家汤姆孙(J.J.Thomson)在1898年提出的关于原子结构的一种假设模型。

汤姆孙枣糕模型是基于阴极射线的分析得到的,是发现电子之后,对原子结构探索的一种假设。

汤姆孙枣糕模型

枣糕模型是早期科学家们在探索原子内部构造时,由汤姆生提出来的一种“原子结构”概念,其观点是:

除电子外,原子的质量与正电荷如同糕点一样均匀排布,电子则如同枣一样随机嵌入在糕点之中。具体如上图所示。

很多学生不理解电子发现的背景,在理解枣糕模型上出现困难。下面我们来重点说一下汤姆孙提出枣糕模型的逻辑:

枣糕模型提出的逻辑

1,物理学者们通过对阴极射线的研究,发现这一现象:原子能够激发出来一种“物质”。这种物质到底是一种微粒,还是一种电磁波,众说纷纭。

请同学们仔细阅读本文上方阴极射线的内容。

2,汤姆孙利用垂直电场,发现该物质偏转(即论证出该物质带电),且不同物质激发后的荷质比为固定值。这便彻底否定了赫兹等人的电磁波假说。

3,既然阴极能够激发出这种更小的粒子,说明阴极这种金属原子是可以分割的。这便原子在古希腊语中的含义就是,不可在分割的最小微粒。

4,原子可以分割,那么原子到底是有什么组成的呢?汤姆孙提出了枣糕模型。

汤姆孙简介

汤姆孙

约瑟夫·约翰·汤姆孙,1856-1940,英国物理学家,电子的发现者。

因通过气体电传导性的研究,测出电子的电荷与质量的比值,汤姆孙1906年获诺贝尔物理学奖。

最初,由于对麦克斯韦的电磁辐射理论感兴趣,汤姆孙进行了阴极射线的研究。X射线的发现使人们对气体电离行为的考察更加深入,在阴极射线本质的争论中他明确支持粒子说。接着他用一个巧妙的实验成功地证实了阴极射线在电场和磁场中发生偏转──这是判定阴极射线确实是带电粒子的决定性证据。

继而,他采用静电偏转力和磁场偏转力相抵消等方法确定阴极射线粒子的速度,测量出这些粒子的荷质比,并进一步测出它们的质量约为氢原子质量的1/1837。由此推断,阴极射线粒子比原子要小得多,可见这种粒子是组成一切原子的基本材料。汤姆孙于1907年4月30日宣布了他的发现。后来人们命名这种粒子为电子。电子是人类所认识的第一种基本粒子。

此后,他又提出了“电子浸浮于均匀正电球”的原子结构模型(汤姆孙模型)。该模型虽然在后来被卢瑟福的核原子模型所替代,但它是建立原子结构模型的开端。

1906年,由于汤姆孙对电子研究的重要贡献而被授予诺贝尔物理奖。1908年又被册封为爵士。

在汤姆孙逝世后,骨灰被安葬在英国西敏寺的中央,与牛顿、达尔文、开尔文等伟大科学家的骨灰安放在一起。

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