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卢瑟福的α粒子散射实验

姚立澄
  原子的概念可以追溯到古希腊哲学家德谟克利特(前460—前370),但是它只停留在思辨的水平上,仅是一个哲学概念,因为原子非常小,仅凭人的肉眼是绝对看不见的。

  19世纪末,英国物理学家汤姆逊(1856—1940)发现电子,1903年又设计了一个原子结构模型,他认为原子像一个蛋糕,电子就像葡萄干,均匀地分布在蛋糕上。

  1911年,卢瑟福(1871—1937)提出了一个有核的原子模型,这个模型可以用太阳系来比喻,原子中间有一个坚固的核,称作原子核,就好像是太阳系的太阳,电子像行星一样在固定的轨道上绕着核在运动。几年前,法国物理学家佩兰(1870—1942)、日本物理学家长冈半太郎(1865—1950)也提出过有核模型的雏形,但他们的模型都只是设想,并没有实验来验证。

  在有核模型提出两年前,也就是1909年,卢瑟福让他的两个学生做α粒子轰击物质的实验,利用荧光屏来记录穿过物质时的α粒子。α粒子本身就是卢瑟福发现的,α粒子有巨大的能量,在加速器发明之前,α粒子一直作为他的实验重要的放射源。卢瑟福希望学生用α粒子轰击物质时,α粒子会散射,从而获得不同物质的散射的分布,来研究原子内部的结构。用金箔作为靶子,实验效果更明显。当α粒子轰击金箔,穿过的α粒子打在荧光屏上时,就会闪烁。当时实验设备简陋,计数的观察者很辛苦,要在暗室中盯着屏幕统计闪烁的数目,有时候,还要吃药放大瞳孔以利于观察,时间长了会很疲劳。

  按照汤姆逊的原子模型,α粒子将非常轻松地穿过金箔,不会遇到任何阻挡,因为α粒子的质量约是电子的7300倍,就像一发炮弹轰击一张白纸一样,小小的电子不可能有任何抵抗力。实验的结果却出乎人的预料:绝大多数α粒子仍按照原来的方向前进,有很少一部分α粒子却偏转了方向,有的偏转了90度,极少一部分甚至反弹回来,角度达到180度。

  卢瑟福经过不断思考,两年后提出了原子有核模型:原子有一个小而重的带电的核心,在它的周围是一群在库仑力作用下转动的电子。

  卢瑟福的原子有核模型,首次正确解决了原子内部的结构问题,为原子科学发展奠定了基础。

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