基于物理學史的“電子的發現”教學過程設計

魯 斌

(浙江省余姚中學,浙江 寧波 315400)

“電子的發現”是人教版選修3-5原子結構的第一節內容．從這節課開始,將要深入原子內部,研究原子結構、產生光譜的特點、原子核的組成等．所以本節是學生“打開”原子的第一課．近代物理發展的歷史長卷,波瀾壯闊．筆者認為,本節課的教學目標,應著眼于電子發現的歷史過程,了解各個科學家所做的工作,體會科學研究的艱辛和喜悅．關于本節課,有如下教學過程設計．

1 氣體放電現象的引入

采用回顧物理學發展的角度進行引入．

師:上這節課的時候,歷史的時間軸已經推進到了19世紀90年代,經典物理學的大廈基本構筑完成．艾薩克牛頓建立的古典力學,支配著天體和一切宏觀物體的運動;麥克斯韋建立的古典電磁理論,揭示了光和電磁現象的本質;玻爾茲曼為首的一大批科學家,建立經典熱力學和統計力學理論,揭示了大量微觀粒子體系的規律及性質．可以說,19世紀是經典物理學的崢嶸歲月,但還是有一些實驗現象讓科學家們憂心忡忡．其中一個實驗,便是關于氣體放電．

實驗演示1:在氣體兩側加上高電壓,氣體擊穿導電,即可看到氣體放電現象．將高壓感應圈直接在空氣中接通,空氣就開始放電,即為火花放電(圖1)．

圖1 火花放電

如果我們將高壓接入一段封閉的氣體,也可以看到放電現象．

實驗演示2:如果我們將氣體的濃度逐漸降低,當氣體稀薄到一定程度時,管內的放電現象消失,在玻璃管的底部出現淡淡的熒光(圖2)．

1858年,普呂克爾就發現了這個現象．1875 克魯克斯造出了真空度較高的克魯克斯管(圖3),玻璃管底部也出現了淡淡的熒光．

實驗演示3:此時將障礙物豎立,還能在底部觀察到物體的陰影(圖4)．

戈德斯坦認為,管壁上的熒光是由于玻璃受到陰極發出的某種射線的撞擊而引起的,并把這種射線命名為“陰極射線”．

圖3 克魯克斯管圖4 底部陰影

2 陰極射線本質的爭論

教師提問學生關于陰極射線本質的問題．有的學生認為是一種粒子,有的則認為是一種光,兩派爭論不下．教師順勢介紹歷史上關于陰極射線本質的爭論．

以德國科學家赫茲為首的“電磁輻射”說和與以法國科學家佩蘭為首的“帶電離子說”,進行了長期的爭論．他們的爭論主要集中在4個方面．

(1) 在“場”中偏轉.

赫茲:它在電場中不偏轉,因此不帶電.

佩蘭:它在磁場中能偏轉,而且帶負電.

實驗演示4:演示帶電粒子在磁場中進行偏轉．不加磁場時,射線直線傳播(圖5),加上磁場即偏轉(圖6)．

(注: 此實驗有力地說明陰極射線帶電．赫茲所做的在電場中的實驗,由于當時的真空技術不夠,導致射線的偏轉很難實現,并且不易觀察．)

圖5 不加磁場圖6 加上磁場

(2) 產生“機械效應”.

佩蘭:它能產生較強的機械效應.

實驗演示5:陰極射線管中放入圖7所示的軸對稱擋片,當有粒子沖擊時,便會受力,從而繞著中心軸高速轉動(圖8)．

圖7 陰極射線管和擋片

圖8 擋片在射線沖擊下轉動

在圖9所示的陰極射線管中,將旋轉擋片放在平行支架上,在射線轟擊下,便可移動位置．

圖9 陰極射線管機械效應實驗

赫茲:電磁波也具有機械效應.

實驗演示6:克魯克斯輻射計實驗．克魯克斯輻射計,是一個內有轉子,帶有顏色深淺不同的葉片處在在半真空中的模型(圖10),在受到焦照時葉片會轉動(圖11)．

(注: 克魯克斯熱輻射計的轉動,是由于轉子的每個扇面顏色不一致,對熱量的吸收不同．較深的地方吸熱較多,溫度較高,粒子運動較快,對扇面的反沖較大．較淺的地方吸熱較少,溫度較低,粒子運動較慢,對扇面的反沖較小．從而產生壓強差,進行轉動．所以它的轉動本質上并不是光子的“機械效應”．)

圖10 克魯克斯輻射計圖11 在光照下轉動

(3) 作用力的持續性.

赫茲:作用是連續的,不是脈動的.

赫茲陰極射線轟擊靶極板,測得的作用力是持續的,說明這種射線應該是連續的．

佩蘭:高速的粒子流會產生持續的沖量.

圖12 持續的沖量

用具有一定速度的粒子流持續沖擊臺秤平面,臺秤的數值保持不變(圖12),也會產生持續的壓強．在自然界中這樣的例子很多,譬如氣體壓強的產生,風持續的作用等等．

(4) 線度大小的討論.

赫茲:它輕易能穿透薄鋁片.

佩蘭:原子排布、原子結構還不清楚.

[注:當時并不知道原子內部結構如何,赫茲認為能夠輕易穿過鋁片,說明射線的線度很小,應該是一種光．其實,在盧瑟福進行α粒子散射實驗(圖13)時也同樣發現了這個問題,這恰恰說明原子內部是非常“空曠”的(圖14)]．

圖13 α粒子散射實驗圖14 原子內部“空曠”

3 湯姆孫的工作

(1) 重做赫茲的電場實驗.

實驗演示7:將陰極射線管的偏轉極板與高壓直流穩壓源相連,觀察到了在電場中的偏轉．

不加電場時,如圖5所示,加上電場時,觀察到如圖15、圖16．

(注:由于穩壓源中還有很多交流的雜波成分,導致陰極射線向上偏轉和向下偏轉,從而照亮了整個屏幕．)

圖15 帶電粒子在電場中偏轉1

將射線的強度降低,將穩壓源的電壓降低,就可以看到明顯的粒子束偏轉．

圖16 帶電粒子在電場中偏轉2

(2) 測量帶電粒子的比荷q/m.

他利用氣體放電管做了如下實驗，如圖17所示．

① 當金屬板D1、D2之間未加電場時,射線不偏轉,射在屏上P1點．施加電場E之后,射線發生偏轉并射到屏上P2處．由此可以推斷陰極射線帶負電．

② 如果要抵消陰極射線的偏轉,使它從P2點回到P1,需要在兩塊金屬板之間的區域再施加一個大 小、方向合適的磁場．

如果每個陰極射線微粒質量為m,帶電量為q,速度為v．根據受到的洛倫茲力和電場力平衡,即可求出陰極射線的速度v的表達式．

③ 如果去掉D1、D2間的電場E,只保留磁場B,磁場方向與射線運動方向垂直．陰極射線在有磁場的區域將會形成一個半徑為r的圓弧．通過偏轉點即可測出圓弧半徑．

④ 根據半徑和比荷的關系,代入求得的速度v,即可得到核質比．

圖17 湯姆孫氣體放電管

結論:是氫離子的近2000倍．我們有如下猜想:

(A)m一樣,q是氫離子的2000倍(這樣的帶電離子尚未發現).

(B)q一樣,m是氫離子的近1/2000(這樣的帶電微粒尚未定義).

(C) 兼而有之.

(3) 測量不同材料陰極射線的q/m.

湯姆孫用不同的材料做陰極,測量不同材料發出的陰極射線的核質比,發現所有射線具有相同比荷．

(4) 定義新的粒子——電子.

它可以從原子中發出,是一種新的粒子,而且說明至少比原子小．要確定它的屬性,就要得到它的電量．

(5) 測量電子的電量.

經湯姆孫大量實驗測定,特別是對于光電效應中光電子帶電量的測量,盡管限于當時條件與技術,很不精確,但足以證明,這種帶電微粒的電荷量與氫離子相當,可見其質量遠小于氫離子．從而確定了電子的質量,確定其為一種新的粒子．

4 結語

從普呂克爾首次觀察到陰極射線到湯姆孫確認電子的存在,其間經歷了40年．科學家前赴后繼的深入研究,拓展了人類對自然界的認識,也讓我們對科學研究和自然界產生了深深的敬畏．電子是人類發現的第一個(基本)粒子．對粒子進行探索和研究的帷幕從此拉開．J.J.湯姆孫被譽為 “一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人”．于1906年榮獲諾貝爾物理學獎．

在課堂教學過程中,適當滲透物理學史教學,有利于學生培養科學思維、科學態度和科學人格．