高中物理强基计划特训-第14部分-原子物理

高中物理强基计划-第14部分-原子物理 自古以来，人们就在探索一个问题：千姿百态的世界，到底是由什么构成的?早在2400多年前， 人们就开始考虑物质内部构造的基本问题。 公元前300多年，庄子在《庄子 ·天下篇》中写道：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”这种论断， 朴素地提出了物质无限可分的思想。 同时期的古希腊，著名的哲学家德谟克利特提出一种原子学说。他认为：世界和宇宙中的万物， 都是由看不见又不可分割的微小粒子构成的，他把这些粒子叫做“原子”。德谟克利特还认为，原子不 可毁灭；原子总是在运动，世界上出现的万事万物都是这种运动的结果。以上这些看来很完善的论述， 使德谟克利特树立了一种较完善的学说。 令人遗憾的是，德谟克利特的学生、在当时学术界很有影响的亚里士多德拒不承认老师的原子理 论，却极力推崇四元素论。四元素论认为， 一切物质都由土、水、空气和火组成。不仅古希腊存在着 元素说，在古代中国也有着类似的五元素说。五元素说认为：金、木、水、火、土这五种最基本的元 素组成了世界。在这种学说的影响下，“炼金术”和“炼丹术”开始兴旺起来。 直到19世纪初，英国物理学家和化学家道尔顿才用实验方法检验了古人的原子论观点，提出了现 代的原子学说。他认为，原子的基本性质是它们的不变性和不可分割性，任何物质都是由非常微小的、 不可再分的原子组成的；同一物质的所有原子，各方面的性质都相同，不同物质的原子的重量不同。 那么原子是不是组成物质的最终极限，原子不可再分了吗?这一模块中，我们将研究原子的组成 以及原子核的相关知识。 1、电子的发现与枣糕模型 如图，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。接通电源时，感应圈产生的近万伏的高电压加在两 个电极之间，可以看到玻璃壁上淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影。1876年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，并把这种射线命名为阴极 射线。 19世纪，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是一种电磁辐射，另一种 观点认为阴极射线是带电微粒。 1. 电子的发现 英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是带电粒子流。1897年，他根据阴极射线在电场和磁场中的偏转 420 学科网（北京）股份有限公司 情况断定，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是氢离子比荷的近两千倍。 后来，汤姆孙直接测到了阴极射线的电荷量，尽管测量不太准确，但是足以证明这种粒子的电荷量 的大小和氢离子大致相同，这说明这种粒子的质量比氢离子小的多，是比原子更小的微粒。 汤姆孙用不同材料的阴极做实验发现，所得比荷的数值都是相同的。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共有成分。后来组成阴极射线的粒子被称为电子。 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 发现，不论阴极射线、β射线、光电流还是热离子流，它们都包含电子。由此可见，电子是原子的 组成部分，是比原子更基本的物质单元。 421 学科网（北京）股份有限公司 *********************** ********** 阅读材料 电子电荷的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验”做出的。 密立根油滴实验是美国物理学家密立根所做的测定电子电荷的实验。1907~1913年密立根用 在电场和重力场中运动的带电油滴进行实验，发现所有油滴所带的电量均是某一最小电荷的整数 倍，该最小电荷值就是电子电荷。 用喷雾器将油滴喷入电容器两块水平的平行电极板之间时，油滴经喷射后， 一般都是带电的。 在不加电场的情况下，小油滴受重力作用而降落，当重力与空气的浮力和粘滞阻力平衡时，它便 做匀速下降，它们之间的关系是： mg=F+B(1), 式中： mg 为油滴受到的重力， F 为空气的粘 滞阻力， B 为空气的浮力。令σ、 p 分别表示油滴和空气的密度； a 为油滴的半径；η为空气的 粘滞系数； V 为油滴匀速下降的速度。因此油滴受到的重力为 , 空气的浮力为 ,空气的粘滞阻力为F=6πηav 。 (流体力学的斯托克斯定律)。于是(1)式变为： ,可得出油滴的半径 )。 当平行电极板间加上电场时，设油滴所带电量为q,E 为平行极板间的电场强度， U 为两极 板间的电势差， d 为两板间的距离，则它所受到的静电力为qE, 。适当选择电势差U 的大 小和方向，使油滴受到电场的作用向上运动，以v;表示上升的速度，当油滴匀速上升时，可得到 如下关系式： F₂+mg=qE+B(3), 式中F₂ 为油滴上升速度为vg时空气的粘滞阻力， F2=6πηaVg, 由