第 4 章 第 1 节 电子的发现与汤姆孙原子模型

大千世界是由什么构成的（图 4-1）？自古以来，人们坚持不懈地追寻着答案。电子的发现打开了人们认识微观世界的大门。电子是怎么发现的？原子的内部有着怎样的结构？本节我们将了解电子的发现过程，学习汤姆孙原子模型。

1．物质结构的早期探究

古人曾将自然界的某些具体物质视为构成世界万物的元素：我国古代的“五行说” 认为，万物是由金、木、水、火、土五种基本“元素”组成的；古希腊的亚里士多德认为，万物的本质是土、水、火、空气四种“元素”，天体则由第五种“元素”——“以太”构成。也有的古人认为万物的构成来源于抽象的概念：我国春秋时期的老子讲“ 道生一， 一生二，二生三， 三生万物”；古希腊的毕达哥拉斯则认为自然界中的一切都服从于一定比例的数。

从古人的物质观可知，人们很早就在探索构成物质的最小微粒。古希腊哲学家德谟克利特等人建立了早期的原子论，认为宇宙间存在一种或多种微小的实体，即“原子”（在希腊语中，原子的含义是“不可分割的东西”），这些“原子”在虚空中运动，并可按照不同的方式重新结合或分散；我国战国时期的思想家墨子认为物体是由不可分割的最小单元——“端”构成的。

大约在 17 世纪中叶，人们开始通过实验来了解物质的结构。

1661 年，玻意耳以化学实验为基础建立了科学的元素论。他认为，只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素，各种元素存在着不同的原子，元素的差异源于原子的差异。18 世纪一系列重要的实验结果，如化学反应遵循质量守恒定律，元素形成化合物须遵循定比定律、倍比定律等，启示人们推想物质是由一些不可毁灭的微粒构成的，而且各种不同的元素微粒按照一定的比例形成化合物。在此基础上，19 世纪初，道尔顿（J. Dalton，1766—1844）提出了原子论，认为原子是元素的最小单元。1811 年，意大利化学家阿伏伽德罗（A. Avogadro，1776—1856）提出了分子假说，指出分子可由多个相同的原子组成。

可见，19 世纪初期形成的分子—原子论认为：在物质的结构中存在着分子、原子这样的层次；宏观物质的化学性质决定于分子，而分子则由原子构成；原子是构成物质的不可再分割的最小颗粒，它既不能创生，也不能消灭。

原子真的不可再分了吗？

2．电子的发现

19 世纪后半叶，科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极会发出一种射线，这种射线能使玻璃管壁发出荧光，人们把这种射线称为阴极射线。当时科学家对这种射线的认识有分歧，有的认为阴极射线是带负电的粒子，有的则认为是以太波。为了探究阴极射线的本质，人们都在寻找实验支持。

英国科学家汤姆孙（J. Thomson，1856—1940）从 1890 年开始对阴极射线进行研究。

1897 年，他设计了一个巧妙的实验，通过使阴极射线粒子受到的静电力和洛伦兹力平衡等方法，确定了阴极射线粒子的本质是带负电的粒子流，并确定了其速度，测量出了这些粒子的比荷（图 4-2）。

当带电粒子受到的静电力与洛伦兹力平衡时，有

qE = qvB

由此确定带电粒子的运动速率。然后使电场为零，带电粒子在磁场区内做圆周运动，有

qvB = \(\frac{{m{v^2}}}{R}\)

由以上两式可得带电粒子的比荷

\(\frac{q}{m}\) = \(\frac{E}{{R{B^2}}}\)

实验中测得的带电粒子的比荷大约是 10¹¹ C/kg，比氢离子的比荷大得多。汤姆孙还把各种不同的气体充入管内，用不同的金属分别制成阴极，实验测出的比荷大体相同，说明这种带电粒子是组成各种物质的共同成分。

后来，汤姆孙测量了阴极射线粒子的电荷，发现这些粒子电荷量的大小与氢离子大致相同，而比荷却是氢离子的近两千倍。因此，汤姆孙认为，阴极射线粒子是电荷量大小与氢离子相同、而质量比氢离子小得多的粒子，他把这种带电粒子称为电子（electron）。电子电荷量的精确测定是由密立根于 1909～1913 年通过油滴实验完成的。

电子的发现说明原子具有一定的结构，也就是说原子是由电子和其他物质组成的。电子的发现是 19 世纪末物理学的三大发现之一。

方法点拨

质量和电荷是微观粒子的本质属性，电荷和质量的比值同样反映它的本质属性，所以测量比荷是确定粒子性质的有效方法。历史上，光电流的研究、β 射线的研究等，也是通过测定比荷及电量来判定其本质的。

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19 世纪末物理学的三大发现

19 世纪末，X 射线、放射性和电子的发现揭开了研究微观世界的序幕。

X 射线的发现应归功于伦琴（W. Rontgen，1845— 1923，图 4-3）。1895 年，他在进行阴极射线实验时，发现在距离放电管较远的荧光屏上出现荧光，伦琴将这种具有很强穿透力的未知射线称为 X 射线。接着，他发表了关于 X 射线的论文，并公布了他妻子手骨的 X 射线照片，在世界上引起轰动。伦琴由于 X 射线的发现获得了首届诺贝尔物理学奖。

X 射线发现后不久，法国科学家贝可勒尔（H. Becquerel，1852—1908，图 4-4）通过实验发现铀盐能自发辐射出一种使底片感光的射线，这就是铀的天然放射现象。此后，皮埃尔·居里夫妇从沥青铀矿渣和钡盐中分别提取出放射性更强的钋和镭。放射现象的发现进一步揭开了微观世界的奥秘。

英国物理学家汤姆孙（图 4-5）在研究阴极射线本质时，发现了电子的存在。他通过实验证明，阴极射线是带负电的粒子流，并测定了它的比荷。1897 年，汤姆孙在论文中指出，电子是一切原子所共有的组成成分。电子是人类认识的第一种组成原子的微观粒子。

3．汤姆孙原子模型

汤姆孙的阴极射线实验证明了电子的存在，从而打破了对原子不可分的认知，激发人们对原子内部结构进行探索。

电子的发现只是揭开了原子内部神秘结构的一角。我们知道，物质在通常情况下是不带电的，原子呈电中性。如果电子是原子的组成部分，而且是带负电的，那么原子里一定还有带正电的部分。电子的质量很小，原子的质量应该主要集中在带正电的部分。那么，原子中带正电的部分和带负电的电子是怎样合为一体的呢？

当时，无法直接通过实验探测原子内部的奥秘。汤姆孙运用经典力学的理论，根据电荷之间的作用力与距离的平方成反比进行了大量计算，以求证电子稳定分布所处的状态。他认为，既然电子那么小，又那么轻，原子带正电的部分应充斥整个原子，很小很轻的电子镶嵌在球体的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那样，这就是原子的“葡萄干面包”模型（图 4-6）。电子带的负电被原子内带的正电抵消，因此原子呈电中性。如果原子失去电子或得到电子，就会变成离子。电子一方面要受正电荷的吸引，另一方面又要互相排斥，因此必然有一个处于平衡的状态。电子在它们的平衡位置附近做简谐振动，可发射或吸收特定频率的电磁波。

节练习

1．请说说英国物理学家汤姆孙如何由实验判定电子是原子的组成部分。

【参考答案】汤姆孙发现电子，电子的发现摧毁了人们对于原子不可再分的信念，激发人们对原子内部结构进行探索。

2．汤姆孙通过对阴极射线的实验研究发现

A．阴极射线在电场中受力方向与电场方向相反

B．阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同

C．不同材料所产生的阴极射线的比荷不同

D．阴极射线的比荷比氢离子的比荷大得多

【参考答案】AD

3．利用电场偏转作用可测定电子比荷。实验装置如图所示，真空玻璃管内，阴极 K 发出的电子经其与阳极 A 之间的高电压加速后，形成一束电子流，沿图示方向进入两极板 C、D 间的区域。若两极板 C、D 间无电压，电子将打在荧光屏上的 O 点；若在两极板间施加电压 U，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的 P 点；若再在极板间施加一个方向垂直于纸面向外、磁感应强度为 B 的匀强磁场，则电子打在荧光屏上产生的光点又回到 O 点。已知极板的长度为 l，极板右端到荧光屏的距离为 L，C、D 间的距离为 d，电压为 U，P 点到 O 点的距离为 y。求电子的比荷。

【参考答案】\(\frac{q}{m}\) = \(\frac{{2Uy}}{{l(2L + l)d{B^2}}}\)

4．19 世纪末物理学的三大发现对人们了解微观世界有什么价值？请查阅资料，写一篇小论文，通过网络或者板报的方式交流。

【参考答案】略。可从 X 射线、放射性和电子三个方面查找资料。

发布时间：2023/1/11 下午8:52:09  阅读次数：4929