盧瑟福散射

在原子物理學裡，盧瑟福散射（英語：Rutherford scattering）是一個散射實驗，由歐尼斯特·盧瑟福領隊設計與研究，成功地於 1909 年證實在原子的中心有個原子核，也導至盧瑟福模型（行星模型）的創立，及後來玻爾模型的提出。套用盧瑟福散射的技術與理論，盧瑟福背散射（Rutherford backscattering）是一種專門分析材料的技術。盧瑟福散射有時也被稱為庫侖散射，因為它涉及的位勢乃庫侖位勢。深度非彈性散射（deep inelastic scattering）也是一種類似的散射，在 60 年代，常用來探測原子核的內部。

基本介紹

• 中文名：盧瑟福散射
• 外文名：Rutherford scattering
• 提出者：Rutherford scattering
• 提出時間：1909 
• 套用學科：核物理
• 適用領域範圍：偵側半導體內的重金屬雜質。

實驗歷程

粒子轟擊金箔實驗

1909至1911年，英國物理學家盧瑟福（1871～1937）和他的合作者們做了以粒子轟擊金箔的實驗，實驗做法如下：

在一個小鉛盒裡放有少量的放射性元素釙，它發出的α粒子從鉛盒的小孔射出，形成很細的一束射線射到金箔上。α粒子穿過金箔後，打到螢光屏上產生一個個的閃光，這些閃光可以用顯微鏡觀察到。整個裝置放在一個抽成真空的容器里，螢光屏和顯微鏡能夠圍繞金箔在一個圓周上轉動。

根據湯姆遜模型計算的結果，α粒子穿過金箔後偏離原來方向的角度是很小的。因為電子的質量很小，不到α粒子的七千分之一，α粒於碰到它，就像飛行著的子彈碰到一粒塵埃一樣，運動方向不會發生明顯的改變；而正電荷又是均勻分布的，α粒子穿過原子時，它受到的原子內部兩側正電荷的斥力相當大一部分互相抵消，使α粒於偏轉的力不會很大。

實驗結果

然而實驗卻得到了出乎意料的結果。絕大多數α粒子穿過金箔後仍沿原來的方向前進，少數以粒子卻發生了較大的偏轉，並且有極少數粒子偏轉角超過了90度，有的甚至被彈回，偏轉角幾乎達到180度。這種現象叫做α粒子的散射。實驗中產生的粒子大角度散射現象，使盧瑟福感到驚奇，因為這需要有很強的相互作用力，除非原子的大部分質量和電荷集中到一個很小的核上，否則大角度的散射是不可能的。

大角散射不能用偶然性的小角度散射累積的結果來解釋，因而用當時流行的湯姆孫原子模型解釋不通． 盧瑟福曾說過，這是他一生中遇到的最令人驚訝的事件，“它幾乎就像發射出一發 15 英寸的炮彈，打 在 一 張 薄 紙 上，又 被 彈 回 來 打 中 了 一樣。

提出假說

盧瑟福反覆思考，整整 18 個月一直分析考慮這一驚人的結果． 1910 年 12 月初，盧瑟福得到了他的重要結論． 蓋革回憶說，“一天，盧瑟福興沖沖地來到我的實驗室，告訴我他現在知道了原子看起來像什麼，以及如何解釋這些 α 粒子的大角度偏轉． 就在同一天，我開始進行盧瑟福期待的散射粒子和散射角關係的實驗”。

為了解釋這個實驗結果，盧瑟福在1911年提出了如下的原子核式結構學說：在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間裡繞著核旋轉。原子核所帶的單位正電荷數等於核外的電子數，所以整個原子是中性的。電子繞核旋轉所需的向心力就是核對它的庫侖引力。
盧瑟福向人們描繪的原子世界，有些像太陽系裡行星圍繞太陽旋轉一樣，電子圍繞著原子核不停的旋轉。

1911 年 5 月，盧瑟福發表了“物質對 α 和 β 粒子的散射和原子結構”一文，對原子的核式結構作了完整的說明。 他給出的公式中，α 粒子落在偏轉角為 Φ（Φ方位見參照文獻繪製的圖2 ，其中 CD 為散射箔，O 為入射點，OA 為入射 α 粒子的方向，OB 為散射 α 粒子的方向)的單位面積內的粒子數正比於1）csc∧4(Φ/2)；2) 散射箔材料的厚度 t(厚度 t 不大) ；3)散射箔材料原子的中心電荷 Ne的平方；4）入射的 α 粒子速度 u 的 －4 次方

後期驗證

蓋革對此先作了初步測試，證明實驗是有前途的． 已到倫敦大學工作的馬斯登應邀回來承擔這一任務． 馬斯登和蓋革進行了為期一年不間斷的艱苦測試，1912 年 7 月完成了這一工作． 他們在論文開頭明確指出:“我們觀察的所有結果與盧瑟福教授的理論推導吻合得很好，為他提出的原子有一個帶強電荷的，其大小與原子直徑相比小得多的中心假定的正確性提供了強有力的證據。”

他們所用的實驗裝置如圖 3，主要包括一個堅固的圓筒狀金屬盒 B，放射源 R 通過小孔 D 發出的 α 粒子束打在散射箔 F 上，顯微鏡M 上裝著硫化鋅屏 S，散射的 α 粒子打在 S 屏上發出閃爍，可從顯微鏡 M 中觀察到． 金屬盒 B 下面與帶刻度的圓盤 A 固定在一起;圓盤 A 可以藉助密封空氣的錐形接口 C 繞軸線旋轉，這時金屬盒和顯微鏡隨之轉動，而散射箔和放射源不動，它們連線在管子 T 上，與支架 L 固定在一起，金屬盒 B 的上端面用磨砂玻璃板 P 密封著，可以通過管子 T 抽真空。

套用

現今，套用這些年累積的散射原理與技術，盧瑟福背散射譜學能夠偵側半導體內的重金屬雜質。實際上，這技術也是第一個在月球使用的實地分析技術。在勘察者任務（surveyor mission）降落於月球表面後，盧瑟福背散射譜學實驗被用來收集地質資料。