卢瑟福α粒子散射实验与原子核式模型的建立

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1、卢瑟福a粒子散射实验与原子核式模型的建立图11-2为卢瑟福和盖革在曼彻斯特实1907年7月，卢瑟福从蒙特利尔到达曼彻斯特，成为曼彻斯特实验室主任，10月他担任了该城维多利亚大学朗斯沃席(Snysworthy)物理学教授的职务。他最早的行动之一是理出一个“可能研究”的项目清单，其中之一是“a射线的散射”。这是他与盖革合作的儿个课题盖革从1906年起就一直在曼彻斯特，是卢瑟福的前任舒斯特(SchuslerArthur,1851〜1934)的助手。1908年6月，盖革独立完成的一篇关于a粒子散射的文章，a粒子的辐射源是从几毫克澳化镭(RaB「2)中射出的一束很确定的a射线，散射体是一块薄金箔或

2、铝箔；用闪烁计数法来检测a粒子。两种材料都用来作过观察，但是更多的是用金箔，箔片厚度相等。盖革得11!结论：“某些Q粒子被偏转到一个相当大的角度……更充分的研究将使我们能够从理论的观点探索这一结果。”1909年初的一天，当卢瑟福步入盖革的房间的时候。房里还有盖革的一位“在科学上充满乐趣和激情”20岁大学本科生的年轻助手，他的名字叫欧内斯特•马斯顿(MarsdenSirErnest,1889〜1970)。马斯顿回忆说：“有一天卢瑟福走进房间，当吋我们正在那儿计数a粒子，他转向我说：'你们用一块金属表面直接反射a粒子，看能否得到什么效果。’我不以为他期望得到什么结果，但这个预感正如其他诸多预

3、感一样，说不定会使我们观察到一些东西……令我惊奇的是，我确实观察到了期待中的效果……我清楚地记得一星期以后，当我在通向卢瑟福私人房间的楼梯上遇到他时，向他报告了这个结果。”1909年5月由盖革和马斯顿提交的一篇论文，粒子辐射源是镭射气形成的氯(Rn222),还是利用闪烁计作为探测器。主要的结论是：“大约有1/8000的入射a粒子被反射”，即散射角超过90°。文章中也含有被散射的a粒子的总数目的初始信息，他们还把这一散射视为散射箔金属的函数。1/8000,对于这样的实验事实，卢瑟福感到十分惊奇。正如他曾经描述过他对这一结果的反应:“这种事情如此地不可能，就好象你用15英寸的炮弹射击一层薄纸

4、,但炮弹却被薄纸弹回来打中自己一样的不可思议。”因为从牛顿力学的计算我们知道，当入射的质量大于靶粒子时，它是只会受到散射角小于90°的向前散射。而根据当时流行的JJ•汤姆逊原子模型，原子质量和电荷被认为是均匀分布在原子球体内，这样分散的分布是无法使得运动得很快、具有很大动量的粒子往回散射的。对于这个结果，他首先考虑到a粒子是受到电磁力的作用。在运用库仑定律计算后，他发现要使速度惊人的a粒子弹冋来，必定是其受到原子内的强电场作用，而要达到这个强度，原子内正电荷必须集中在直径为厘米的球形范围内，且这个小球是很重的，这说明了什么？这说明原子里的大部分是空荡荡的！据此卢瑟福不得不假设原子中的正电

5、荷和质量并非均匀分布而是集中于一点上。但1910年，J.J.汤姆逊为了进一步展开自己提出的原子模型，又提出了关于高速带电粒子穿透物质薄层时散射角分布的理论(多次散射理论)，并被克劳瑟(J・A.Crowther)通过B射线散射的实验所证实。此吋的卢瑟福，因受到J.J.汤姆逊的实心带电球原子模型，无法用小角度散射的积累(复合散射)予以解释而感到迷惑不解。此后，卢瑟福反复思考，一个偶然的a粒子为什么会偏转？为何a粒子的大角散射不能用大量小角的积累(复合散射理论)来解释？在反复计算实验结果后得出一个重要的结论：绝大多数的大角散射应为一次碰撞的结杲。从而准确地描述了解决原子有核模型问题的一个关键点

6、一一整个的偏转必须是单独的一次完成的结果，因此就必须假定在原子内部有强电场的存在，而原子有核模型可以提供这样的强电场。卢瑟福在后来的论文开头是这样写的：“众所周知，a、B粒子与物质原子碰撞Z后将从其直线运动偏折。对于B粒子，要比a粒子散射得更万害，因为B粒子的动量和能量小得多。这些快速运动粒子的轨道会穿越原子，并且观测到的偏折是由于原子系统中存在着强电场，这两点似已无疑问。一般都假设，a、B射线在穿过物质薄片时遭到的散射是由于物质原子多次微弱散射的结果。但是盖革和马斯登的□射线散射观测却表明□射线有一部分经单次碰撞必定会遭到大于直角的偏折。例如他们发现，入射a射线的一小部分，大约两千分2

7、—，在穿过约0.00004厘米厚的金箔时发生了平均为90°角的偏折。盖革随后证明，a射线穿过这样厚的金箔，其偏折角最可几值约为0.87°。根据概率论作一简单计算，表明a粒子偏折到90°角的机会是极小的。另外，可以看到，如果把大角度偏折看成是多次小偏折造成的，则a粒子的大角度偏折应按期待的概率规律有一定分布，但实际上并不服从这个概率规律。似乎有理由假设，大角度偏折是由于单个原子的碰撞，因为第二次碰撞能产生大角度的机会在大多数情况下是极