盧瑟福原子結構模型

盧瑟福原子模型 又稱“有核原子模型”、“原子太陽系模型”、“原子行星模型”、“原子核式模型”。關於原子結構的一種模型。1911年由盧瑟福提出。認為原子的質量幾乎全部集中在直徑很小的核心區域，叫原子核，電子在原子核外繞核作軌道運動。原子核帶正電，電子帶負電。

基本介紹

• 中文名：盧瑟福原子結構模型
• 提出：科學家盧瑟福
• 國家：英國
• 意義：原子的大部分體積是空的

簡介

英國科學家盧瑟福，通過實驗推斷出原子的大部分體積是空的，電子隨意地圍繞著一個帶正電荷的很小的原子核運轉，就像行星圍繞著太陽 。

盧瑟福

原子是由居於原子中心的帶正電的原子核和核外帶負電的電子構成。1897年英國物理學家JJ·湯姆森 通過研究陰極射線確定電子存在。自從電子發現以後，1906年英國科學家盧瑟福做了著名的 α粒子散射實驗，即讓一束平行的α粒子穿過極薄的金箔時，他發現穿過金箔的α粒子，有一部分改變了原來的直線射程，而發生不同程度的偏轉，（說明受到斥力）。還有少數α粒子（大約一萬個中有一個），好像遇到某種堅實的不能穿透的東西而被折回。盧瑟福構想帶有兩個不在此列電荷的α粒子有很大的功能，能夠使它改變射程的，只能是α粒子遇到了原子中具有相當質量並帶有正電荷的部分。而這個帶正電荷的部分在原子中所占的體積應該很小。因此，盧瑟福提出：原子內部存在著一個質量大、體積小、帶正電荷的部分——原子核。由於盧瑟福的這一重要成果，他於1908年獲得了諾貝爾獎。在探索原子結構奧秘的進程中，人們讚譽盧瑟福是-原子物理之父。

英國物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）1895年來到英國卡文迪許實驗室，跟隨湯姆遜學習，成為湯姆遜第一位來自海外的研究生。盧瑟福好學勤奮，在湯姆遜的指導下，盧瑟福在做他的第一個實驗——放射性吸收實驗時發現了α射線。

盧瑟福設計的巧妙的實驗，他把鈾、鐳等放射性元素放在一個鉛制的容器里，在鉛容器上只留一個小孔。由於鉛能擋住放射線，所以只有一小部分射線從小孔中射出來，成一束很窄的放射線。盧瑟福在放射線束附近放了一塊很強的磁鐵，結果發現有一種射線不受磁鐵的影響，保持直線行進。第二種射線受磁鐵的影響，偏向一邊，但偏轉得不厲害。第三種射線偏轉得很厲害。

盧瑟福在放射線的前進方向放不同厚度的材料，觀察射線被吸收的情況。第一種射線不受磁場的影響，說明它是不帶電的，而且有很強的穿透力，一般的材料如紙、木片之類的東西都擋不住射線的前進，只有比較厚的鉛板才可以把它完全擋住，稱為γ射線。第二種射線會受到磁場的影響而偏向一邊，從磁場的方向可判斷出這種射線是帶正電的，這種射線的穿透力很弱，只要用一張紙就可以完全擋住它。這就是盧瑟福發現的α射線。第三種射線由偏轉方向斷定是帶負電的，性質同快速運動的電子一樣，稱為β射線。盧瑟福對他自己發現的α射線特別感興趣。他經過深入細緻的研究後指出，α射線是帶正電的粒子流，這些粒子是氦原子的離子，即少掉兩個電子的氦原子。

“計數管”是來自德國的學生漢斯·蓋革（Hans Geiger，1882-1945)）發明的，可用來測量肉眼看不見的帶電微粒。當帶電微粒穿過計數管時，計數管就發出一個電訊號，將這個電訊號連到報警器上，儀器就會發出“咔嚓”一響，指示燈也會亮一下。看不見摸不著的射線就可以用非常簡單的儀器記錄測量了。人們把這個儀器稱為蓋革計數管。藉助於蓋革計數管，盧瑟福所領導的曼徹斯特實驗室對α粒子性質的研究得到了迅速的發展。

其他信息

1910年馬斯登（E.Marsden，1889-1970）來到曼徹斯特大學，盧瑟福讓他用α粒子去轟擊金箔，做練習實驗，利用螢光屏記錄那些穿過金箔的α粒子。按照湯姆遜的葡萄乾蛋糕模型，質量微小的電子分布在均勻的帶正電的物質中，而α粒子是失去兩個電子的氮原子，它的質量要比電子大幾千倍。當這樣一顆重型炮彈轟擊原子時，小小的電子是抵擋不住的。而金原子中的正物質均勻分布在整個原子體積中，也不可能抵擋住α粒子的轟擊。也就是說，α粒子將很容易地穿過金箔，即使受到一點阻擋的話，也僅僅是α粒子穿過金箔後稍微改變一下前進的方向而已。這類實驗，盧瑟福和蓋革已經做過多次，他們的觀測結果和湯姆遜的葡萄乾蛋糕模型符合得很好。α粒子受金原子的影響稍微改變了方向，它的散射角度極小。

馬斯登和蓋革又重複著這個已經做過多次的實驗，奇蹟出現了!他們不僅觀察到了散射的α粒子，而且觀察到了被金箔反射回來的α粒子。在盧瑟福晚年的一次演講中曾描述過當時的情景，他說：“我記得兩三天后，蓋革非常激動地來到我這裡，說：‘我們得到了一些反射回來的α粒子......’，這是我一生中最不可思議的事件。這就像你對著捲菸紙射出一顆15英寸的炮彈，卻被反射回來的炮彈擊中一樣地不可思議。經過思考之後，我認識到這種反向散射只能是單次碰撞的結果。經過計算我看到，如果不考慮原子質量絕大部分都集中在一個很小的核中，那是不可能得到這個數量級的。”

盧瑟福所說的“經過思考以後”，不是思考一天、二天，而是思考了整整一、二年的時間。在做了大量的實驗和理論計算和深思熟慮後，他才大膽地提出了有核原子模型，推翻了他的老師湯姆遜的實心帶電球原子模型。

盧瑟福檢驗了在他學生的實驗中反射回來的確是α粒子後，又仔細地測量了反射回來的α粒子的總數。測量表明，在他們的實驗條件下，每入射約八千個α粒子就有一個α粒子被反射回來。用湯姆遜的實心帶電球原子模型和帶電粒子的散射理論只能解釋α粒子的小角散射，但對大角度散射無法解釋。多次散射可以得到大角度的散射，但計算結果表明，多次散射的幾率極其微小，和上述八千個α粒子就有一個反射回來的觀察結果相差太遠。

湯姆遜原子模型不能解釋α粒子散射，盧瑟福經過仔細的計算和比較，發現只有假設正電荷都集中在一個很小的區域內，α粒子穿過單個原子時，才有可能發生大角度的散射。也就是說，原子的正電荷必須集中在原子中心的一個很小的核內。在這個假設的基礎上，盧瑟福進一步計算了α散射時的一些規律，並且作了一些推論。這些推論很快就被蓋革和馬斯登的一系列漂亮的實驗所證實。

盧瑟福提出的原子模型像一個太陽系，帶正電的原子核像太陽，帶負電的電子像繞著太陽轉的行星。在這個“太陽系”，支配它們之間的作用力是電磁相互作用力。他解釋說，原子中帶正電的物質集中在一個很小的核心上，而且原子質量的絕大部分也集中在這個很小的核心上。當α粒子正對著原子核心射來時，就有可能被反彈回去。這就圓滿地解釋了α粒子的大角度散射。盧瑟福發表了一篇著名的論文《物質對α和β粒子的散射及原理結構》。

盧瑟福的理論開拓了研究原子結構的新途徑，為原子科學的發展立下了不朽的功勳。然而，在當時很長的一段時間內，盧瑟福的理論遭到物理學家們的冷遇。盧瑟福原子模型存在的致命弱點是正負電荷之間的電場力無法滿足穩定性的要求，即無法解釋電子是如何穩定地待在核外。1904年長崗半太郎提出的土星模型就是因為無法克服穩定性的困難而未獲成功。因此，當盧瑟福又提出有核原子模型時，很多科學家都把它看作是一種猜想，或者是形形色色的模型中的一種而已，而忽視了盧瑟福提出模型所依據的堅實的實驗基礎。

盧瑟福具有非凡的洞察力，因而常常能夠抓住本質作出科學的預見。同時，他又有十分嚴謹的科學態度，他從實驗事實出發作出應該作出的結論。盧瑟福認為自己提出的模型還很不完善，有待進一步的研究和發展。他在論文的一開頭就聲明：“在現階段，不必考慮所提原子的穩定性，因為顯然這將取決於原子的細微結構和帶電組成部分的運動。”當年他在給朋友的信中也說：“希望在一、二年內能對原子構造說出一些更明確的見解。”