基本介紹
- 中文名：盧瑟福發現核子實驗
- 排名：“最美麗的”十個物理實驗第九
- 時間：1909-1911
- 地點：英國卡文迪許實驗室
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介紹
實驗用準直的α射線轟擊厚度為微米的金箔，發現絕大多數的α粒子都照直穿過薄金箔，偏轉很小，但有少數α粒子發生角度比湯姆生模型所預言的大得多的偏轉，大約有1/8000 的α粒子偏轉角大於90°，甚至觀察到偏轉角等於150°的散射，稱大角散射，更無法用湯姆森模型說明。1911年盧瑟福提出原子的有核模型(又稱原子的核式結構模型），與正電荷聯繫的質量集中在中心形成原子核，電子繞著核在核外運動，由此導出α粒子散射公式，說明了α粒子的大角散射。盧瑟福的散射公式後來被蓋革和馬斯登改進了的實驗系統地驗證。根據大角散射的數據可得出原子核的半徑上限為10-14m，此實驗開創了原子結構研究的先河。這個實驗推翻了J.J.湯姆森在1903年提出的原子的葡萄乾圓麵包模型，認為原子的正電荷和質量聯繫在一起均勻連續分布於原子範圍，電子鑲嵌在其中，可以在其平衡位置作微小振動，為建立現代原子核理論打下了基礎。
Ernest Rutherford
Ernest Rutherfordα射線的發現
盧瑟福設計了巧妙的實驗，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，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。第二種射線受磁鐵的影響，偏向一邊，但偏轉得不厲害。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。第三種射線偏轉得很厲害。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。
α、β、γ射線的穿透性
α、β、γ射線的穿透性散射實驗
實驗理論
直線運動的α 和β 粒子在碰到物質原子時，運動方向會發生偏轉。β 粒子的散射數目要比α 粒子更多，因為β 粒子的動量和能量要小得多。似乎已沒有疑問，如此迅速移動的粒子以其原來的路徑穿過了原子，而觀察到的偏轉是由於遍布於原子系統內強電場作用的結果。一般假設，一束α 或β 粒子射線在通過薄片物質時的散射，是物質原子來回多次小散射的結果。然而，Geiger 和 Marsden 對α射線散射的觀察顯示，某些α 粒子在單次碰撞時，一定會發生大於正常角度的偏轉。例如，他們發現，一小部分入射α 粒子，大約 20000 箇中有1 個，在穿過厚度約為 0.00004cm的金箔時平均偏轉了 90°的角度，如此厚度的金箔阻止α 粒子的能力相當於1.6mm厚度的空氣。Geiger 接著指出，一束α 粒子穿過以上厚度金箔最可能偏轉的角度是 0.87°。基於機率理論的一個簡單計算表明，粒子偏轉 90°的機會是微乎其微的。此外，稍後可以看出，如果這種大角度偏轉是由許多小的偏轉組成，那么，這種大角度偏轉的α 粒子對各種角度的分布並不遵守預期的機率定律。大角度偏轉是由於單次原子碰撞的構想似乎是有道理的，因為第二次同樣碰撞而產生大角度偏轉的機率在大多數情況下是很小的。一個簡單的計算顯示，原子必須具有強電場的核心，才能在單次碰撞中產生如此大的偏轉。
釙元素散射實驗
釙元素散射實驗J. J. Thomson（湯姆森）提出了一種理論來解釋帶電粒子在通過很薄的物質時產生的散射。他假設原子是由帶 N個負電荷的粒子構成，伴隨著相同數量的正電荷，均勻地分布在整個球內。負電荷粒子（如β 粒子）在穿過原子時的偏轉歸結為兩個原因——(1)分布在原子內負電荷的斥力，(2)原子內正電荷的吸引力。粒子在經過原子時的偏轉假設是很小的，儘管在與一個很大質量m碰撞後的平均角度為 m ⋅ θ ， 其中θ是對於單個原子的平均偏轉。這表明，原子內部的電子數N可以通過觀察帶電離子的散射推斷出來。這個混合散射理論的精確性在後來 Crowther 的一篇論文中做了實驗檢驗。 Crowther 的實驗結果明顯地確認了Thomson（湯姆森）理論的主要結論，而且 Crowther 基於正電荷的連續性假設推導出，原子中的電子數大約是原子重量的三倍。
α粒子散射實驗裝置示意圖
α粒子散射實驗裝置示意圖J. J. Thomson（湯姆森）理論是基於“單次原子碰撞產生的散射是很小的”這個假設。而且對原子特殊結構的假設也不允許α 粒子在穿過單個原子時有很大的偏轉，除非假設正電荷球的直徑與原子球的直徑相比是極小的。
由於α 和β 粒子穿過了原子，通過對偏轉本質的密切研究而形成關於原子結構的某些看法，從而產生觀察到的效應，這是很有可能的。事實上，高速帶電粒子被物質原子散射就是解決這個問題最有希望的方法之一。開發出為單個α 粒子計數的閃爍法就提供了獨特的研究優勢，而 H.Geiger 正是通過這種方法的研究，已經為我們增加了很多關於α射線被物質散射的知識。
實驗結果
發生極少數α粒子的大角度偏轉現象是出乎意料的。根據湯姆孫模型的計算，α粒子穿過金箔後偏離原來方向的角度是很小的，因為電子的質量不到α粒子的1/7400，α粒子碰到它，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。正電荷又是均勻分布的，α粒子穿過原子時，它受到原子內部兩側正電荷的斥力大部分相互抵消，α粒子偏轉的力就不會很大。然而事實卻出現了極少數α粒子大角度偏轉的現象。盧瑟福後來回憶說：“這是我一生中從未有的最難以置信的事，它好比你對一張紙發射出一發炮彈，結果被反彈回來而打到自己身上……”盧瑟福對實驗的結果進行了分析，認為只有原子的幾乎全部質量和正電荷都集中在原子中心的一個很小的區域，才有可能出現α粒子的大角度散射。由此，盧瑟福在1911年提出了原子的核式結構模型，認為在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核(nucleus)，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。
按照這一模型，α粒子穿過原子時，電子對α粒子運動的影響很小，影響α粒子運動的主要是帶正電的原子核。而絕大多數的α粒子穿過原子時離核較遠，受到的庫侖斥力很小，運動方向幾乎沒有改變，只有極少數α粒子可能與核十分接近，受到較大的庫侖斥力，才會發生大角度的偏轉。
根據α粒子散射實驗，可以估算出原子核的直徑約為10-15m~10-14m，原子直徑大約是10-10m，所以原子核的直徑大約是原子直徑的萬分之一，原子核的體積只相當於原子體積的萬億分之一。
1911年盧瑟福還在曼徹斯特大學做放射能實驗時，原子在人們的印象中好像是“葡萄乾布丁”，大量正電荷聚集的糊狀物質，中間包含著電子微粒。但是他和他的助手發現向金箔發射帶正電的α微粒時有少量被彈回，這使他們非常吃驚。盧瑟福計算出原子並不是一團糊狀物質，大部分物質集中在一個中心小核上，現在叫作核子，電子在它周圍環繞。
實驗結論
大多數α粒子穿透金箔：原子內有較大空間，而且電子質量很小 。
一小部分α粒子改變路徑：原子內部有一微粒，而且該微粒的體積很小，帶正電。
極少數的α粒子反彈：原子中的微粒體積較小，但質量相對較大。
現實的意義
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。”
