α粒子为什么能穿过金原子，本文主要内容关键词为：粒子论文,原子论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、问题的缘由
在一次课题为“原子的核式结构”的市级公开课教学中，上课教师很注重师生互动和启发式教学，介绍完汤姆生的原子“枣糕模型”后，如图1，画出示意图并设问：射向金原子的α粒子将如何运动？教师希望学生回答出和书上相同的结论：“穿过金原子基本不改变运动方向”。可是，学生1回答：弹回。学生2回答：弹回……当时我想，假如我是学生，回答也一定是弹回。因为金原子质量（原子量197）比α粒子大很多倍，按照我们的生活经验，就像一个小玻璃球撞到一个大铅球上，一定被弹回；同时，按照学生熟知的动量守恒和碰撞的知识，α粒子也是被弹回，所以，学生没错。恰好，自己也在同一年级任教，在随后的教学中，我也提出了相同的问题，学生也给出同样的回答：弹回。由于笔者之前已有思考，知道自己也无法回答这一问题，不敢不懂装懂，答应学生对此问题学习研究。本文正是完成对学生的一个承诺，希望能对我们的教学提供帮助。
二、汤姆生的“枣糕模型”
要回答上述问题，我们有必要重温汤姆生的原子“枣糕模型”。
1897年，汤姆生发现了电子，由于原子呈电中性，既然一切原子中都存在带有负电的电子，那么原子中必然存在有带正电的物质。对于原子模型，当时出现了许多不同的假设：如开尔文的“实心带电球原子模型”，汤姆生的“枣糕模型”，勒那德的“中性微粒模型”，长岗的“土星原子模型”，尼克尔森的“初始物质原子结构”等。上述原子模型在一定程度上都能解释当时的一些实验事实，由于汤姆生模型能解释当时的很多实验事实，所以被许多物理学家接受，成为当时一种标准模型。那么，汤姆生为什么提出原子的“枣糕模型”或“西瓜模型”，而不是坚硬的“实心模型”？
1903年，汤姆生根据自己的实验结果，又借鉴磁棒吸引水面上漂浮的磁针实验（1878年，美国科学家，A.梅尼）：“磁针在水面上漂浮时因为斥力和吸力的作用排成有规则的图形，如图2，5个磁针在水面上排成正方形，6个磁针排成正五边形，它们都有一个磁针位于中央。当有8个磁针时有3个在正六边形中央；15个时按1，5，9排成3层；27个磁针时，排成1，5，9，12四层，以此类推”。汤姆生运用经典理论，根据电荷之间的平方反比作用力，进行了计算，求证了电子稳定分布时应处的状态。电子一方面要受正电荷的吸引，一方面又要自相排斥，因此，必然有一种状态可使电子平衡。他证明这些电子必然组成球状，而且六个以上的电子不能稳定在一个环上，数目再多就要组成二个以上的环。汤姆生给原子王国描绘了这样一幅图像：“原子是一个小小的球体，原子里面充满了均匀分布的带正电的流体，球内还有若干个电子，它们都在这种正电荷液体中，就像许多软木塞浸在一盆水里一样，这些电子等间隔地排列在与正电球同心的圆周上，这些电子能在它们的平衡位置上做简谐振动，观察到原子所发的各种频率光谱就相当于这些振动的频率”。1904年，汤姆生发表了题为《论原子的构造：关于沿一圆周等距分布的一些粒子的稳定性和振荡周期的研究》的论文。这个模型较好地解释了原子的电中性、稳定性、元素周期性和发光频率等问题，似乎可以将当时知道的实验结果和理论都考虑进去。
1907年，汤姆生为解释原子光谱又对他的模型进行了修正：电子以一定的速度做圆周运动，从而发出电磁辐射，原子光谱所反映的就是这些电子辐射的频率。此外，从汤姆生模型出发，还能估计出原子的大小约为十亿分之一（10-10）米，这是一项惊人的成就。
三、问题的症结
上文，笔者介绍汤姆生“枣糕原子模型”时，强调原子不能是一个刚性实心球，因为电子要做圆周运动，好像在暗示若按汤姆生“枣糕原子模型”，原子的密度较小，数量级为
,而原子核或α粒子的密度很大，数量级为
。这似乎在说，α粒子通过金原子受到的阻力就像子弹在空气中飞行时一样，根本不会被弹回，这很好地解释了卢瑟福的“这是我一生中从未有过的最难以置信的事件，它的难以置信好比你对一张纸发射一枚15英寸的炮弹，结果却被反射回来而打在自己身上”的惊叹，但这种宏观类比的解释本质上是错的！
问题的关键是：α粒子通过金箔时，受什么力？学生会回答：弹力，万有引力，静电力。
在原子尺寸内静电力是万有引力的
倍，因此，万有引力可忽略，α粒子受弹力、静电力，教师解释道。是这样吗？若是这样，小球为什么没被弹回？
20世纪初，人们就知道自然界存在两种力：一种是万有引力，另一种是电磁力。从本质上说，平时所见的张力、弹力、压力、摩擦力、浮力、流体对器壁的作用力，都是电磁力的宏观表现。因为原子和分子都属于带正电的原子核和带负电的电子组成的系统，其中起主导作用的是电磁相互作用。分子间的电磁相互作用构成分子力，在两个分子相距较远时，分子力接近于零；彼此靠近到
时，分子力表现为引力；更靠近时又表现为斥力。当我们拉伸、压缩或摩擦一个物体时，就在微观尺度上改变了物体内部或表面各处分子之间的距离，因而将受到分子力的抗拒。大量分子力的集体表现，即为张力、弹力、摩擦力等。
特别要说明的是：已知的四种基本相互作用力之间是有一定联系的，现代科学研究已经证明，弱相互作用力和电磁相互作用力在本质上是一码事，这就是弱电统一理论。而科学家们进一步预言，弱相互作用力、电磁相互作用力和强相互作用力在本质上也是一码事，这就是所谓大统一理论。
由此，我们得到结论：α粒子通过金原子时，我们想象的“弹力”就是静电力。而且，由于α粒子的几何尺寸相对于原子很小很小，且原子为球形，它们之间的静电力可看成原子对点电荷之间的作用力，这就是问题的症结。
四、α粒子为什么没被弹回来
1906年，卢瑟福对居里夫妇发现的镭所放出的射线进行了大量研究，卢瑟福等人从研究中弄清了α粒子的性质。他们通过电磁场偏转实验证明了它带有两倍于电子电荷的正电荷。如果电子的电荷用符号“-”表示，那么α粒子所带的电荷就是“++”。另外α粒子的质量要比电子重得多，事实上，α粒子的质量约等于氦原子质量，或四倍于氢原子的质量，是电子质量的七千三百多倍。但是α粒子能够穿透物质，而氦原子是办不到的，故α粒子的半径要比氦原子小得多。还有，α粒子所带的能量也很大，约等于6百万电子伏特，以约十二分之一光速的速率行进。
如图3，按照汤姆生“枣糕原子模型”，由库仑定律和高斯定理可知：
如图4，若电荷不是均匀分布，而是集中于球心，则电荷间作用力为
。离圆心越近，作用力越大。
按照汤姆孙“枣糕原子模型”，当α粒子刚好从金原子外掠射飞过时，假定原子作用在α粒子上的力F持续一段时间t，
。该力使α粒子的动量改变一个量△p，如图5。假定其与α粒子的原有动量p垂直，于是：
1910年底，卢瑟福对这个问题苦思了几个星期并经过数学运算后，提出了非常具有说服力的结果：“只有假设正电球的直径小于原子作用半径，α粒子穿越单个原子时，才有可能产生大角度散射”。1911年，卢瑟福发表了题为《物质的α和β粒子的散射和原子结构》的论文，他在α粒子散射实验结论的基础之上提出了原子的有核模型和原子核概念。
综上所述，本文选取中学教师乃至中学生能理解的史实和文本说明α粒子为什么能穿过金原子，通过研究和学习也发现，教师课堂上的提问应注意选择性，教材也应根据学生的学习实际，对相关内容做必要的铺垫。