α粒子散射实验与原子核的发现——“最美丽”的十大物理实验之三，本文主要内容关键词为：原子核论文,十大论文,粒子论文,最美丽论文,之三论文，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。
1.实验背景
自1897年汤姆孙（J.J.Thomson 1856～1940年）从实验中发现电子；1896年亨利·贝克勒（H.A.Becquerel 1852～1908年）发现铀的放射性现象；1898年居里夫人（M.Curie 1867～1934年）发现镭的放射性现象；1897年卢瑟福（E.Rutherford 1871～1937年，英藉新西兰人）发现放射性中的α射线和β射线；1900年维拉德（P.U.Villard 1860～1934年）发现放射性中第三种射线—γ射线以后，使人们认识到原子是可分的，原子是有结构的。因此，各国物理学家们便开始探索原子的复杂结构。
既然电子是从原子内部发出的，而原子又是中性的，那么原子中必定还有带正电的部分。这些正电荷是如何分布的？具有什么性质？正、负电荷之间又是如何相互作用的？怎样解释元素的周期性？怎样解释放射性？……面对这一系列的问题，物理学家们根据自己的实践和见解，从不同的角度提出了各种不同的原子模型，诸如有洛伦兹的弹性束缚电子模型（1896年）、开尔文的包含电子的正电云模型（1897年），汤姆孙的“果子干面包”模型（1904年）、长冈半太郎的土星系模型（1904年）、里兹的磁原子模型（1908年）等等，其中以汤姆孙模型影响最大。他对原子结构进行了长期的研究，于1904年发表了《论原子的结构》论文，设想原子的带正电部分是一个原子那么大的、具有弹性的、冻胶状的球，正电荷均匀分布着，在这球内或球上，有负电子嵌着。这些电子能在它们的平衡位置上做简谐振动。观察到的原子所发光谱的各种频率可认为就相当于这些振动的频率。汤姆孙的原子模型好像能够把当时知道的实验结果和理论考虑都归纳进去，例如，电子轨道半径与电子数目的关系、化学元素的周期性、元素光谱、放射性元素的解释等等。
卢瑟福作为汤姆孙的研究生和助手，又亲自经历了汤姆孙提出物质的电子结构理论的重要时期，在他刚开始其科研生涯时，关于物质结构思想即与汤姆孙的原子理论一脉相承，并且成为它的主要发展者。
卢瑟福的原子有核模型是他的放射性研究的一个重大成果，而其放射性研究却是在汤姆孙的指导下开始的。他通过放射性的研究发现了α和β射线，继而由实验证实了α和β射线的粒子性，发现了组成它们的粒子分别为带正电的氦原子和电子，测出了它们的电荷、质量和大小，认识到氦原子是从放射性元素的原子内发射出来的，说明它们是其原子的组成部分，而氦原子的质量是氢原子的4倍，是电子质量的7000多倍。这给汤姆孙的原子模型投下了一个巨大的阴影，因为在电子沿轨道均匀分布的正电体中放射出这样大的氦原子是难以解释的。卢瑟福对α粒子的质量和性质的研究过程也就是他从相信到怀疑汤姆孙模型的过程。而仅仅这种怀疑还不可能导致他抛弃这个模型而提出新的模型。转变的关键在于他对α射线大角度散射现象的解释不得不另辟蹊径。
由于α粒子带正电，是具有极高能量的氦离子束，用α粒子作炮弹轰击其他原子时，它与原子的带电部分相互作用后就会偏离原来的路径，所以可以利用α粒子的透射和散射来揭示出原子内部电荷的分布情况。卢瑟福与他的两名助手盖革（H.Geiger 1882～1945年）和马斯登（E.Marsden 1889～1945年）想通过研究α粒子经金属片吸收及散射后的辐射强度，来确证汤姆孙的“果子干面包”模型。于1909年却发现了α粒子的大角度散射现象。进而发现了原子核，否定了原子的汤姆孙“果子干面包”模型，建立了原子的“核式”模型，为原子科学的发展树立了重要的里程碑。
2.实验方法
实验装置如图1所示，在抽真空的容器内，用一铅块R包围着α粒子源，α粒子是放射性物体中发射出来的快速粒子，它具有氦原子那样的质量，是电子质量的7300倍，它带两个单位的正电荷，后来证明是氦原子核。发射的α粒子经一细的通道D后，形成一束射线，打在一厚度约为0.0004cm的金属箔F上。金属箔可以移动，以便α粒子穿过它或不穿过它。穿过金属箔的α粒子打到在玻璃片上涂硫化锌荧光物制成的荧光屏S上。当被散射的α粒子打在荧光屏上，就会发生微弱的闪光，通过放大镜M观察闪光就可记下某一时间内在某一方向散射的α粒子数。放大镜、荧光屏与外壳制成一体，可以转到不同的方向对α粒子进行观察。
图1 观测α粒子散射的实验装置示意图
3.实验结果
在1909年，卢瑟福与他的合作者盖革和马斯登观察到一个重要的α粒子散射现象，就是α粒子受金属箔散射时，绝大多数如以前所观察到的，平均只有2～3度的偏转，但有1/8000的α粒子偏转大于90°，其中有的接近180°。
根据汤姆孙模型，原子整体上是电中性的，只有当α粒子进入原子内部后才受到电力的作用，但α粒子质量大，速度快，原子内带负电的电子质量很轻，很难使α粒子偏转，均匀分布的正电荷也不会使α粒子产生大的偏转。可以估计，这种偏转的平均角度不会超过10[-4]弧度。α粒子经过一定厚度的金箔后，从统计效果看，最多只有1％的α粒子偏转角超过30°，而大角度（90°或90°以上）散射的几率只是10[3500]分之一，可以认为是不可能的。但实验结果表明，约有1/8000的α粒子发生了大角度散射，甚至被倒撞回来（将近180°的大偏转）。这种情况确实令人大吃一惊。用卢瑟福的话来说“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射击一发15英寸的炮弹，结果却被反了回来而打在自己身上。”
对于实验中发现的α粒子的反常散射现象，卢瑟福苦苦思索了很长的时间。因为只有假设原子中心有一个很小的核，正电荷集中在核上，电子围绕原子核运动，才有可能对大角度散射的实验结果作出满意的解释。但是这种原子模型是不稳定的，因为根据麦克斯韦电磁理论，围绕核运转的电子由于受到向心力的作用而不断被加速，而不断加速的带电粒子要不断失去能量而连续发射电磁波形成连续光谱，同时电子将由于很快失去能量而沿螺旋线趋向于原子核，使得原子在10[-12]s内崩塌。这是与原子线状光谱和原子稳定性的事实相违背的。卢瑟福却敢于创新，不受经典理论的束缚，坚持自己这种原子“核式”模型正确性，并对这种原子“核式”模型进行了严密的理论计算，得出
=常数（1）
式中dΩ为图1中荧光屏S对应金属箔F散射点的立体角，为常数；
dn为荧光屏S测得的α粒子数；
θ为散射角；e为电子电荷，ε[，0]为真空介电常数；
Z为金属箔的原子序数；M为α粒子数的质量；v为α粒子数的速度；
N为金属箔单位体积中的原子数；t为金属箔的厚度；
n为射向金属箔的α粒子数。
然后，盖革和马斯登为了验证式（1）的结果，又仔细地进行了α粒子散射实验，实验结果如表1。
表1 α粒子在不同角上的散射
表中显示散射角在45°到150°的范围，虽然dn差得很大，但dnsin[4]（θ/2）却是常数，足见理论对大角度散射是适用的。对于小角度的散射，理论与实验不符，是由于在小角度的散射情况下，由于金属箔有一定的厚度而引起的多次小角度散射不可忽略。接着，盖革和马斯登对α粒子散射实验又作了许多改进，在1913年发表了全面的实验数据，进一步肯定了卢瑟福的理论，并测得原子核半径为10[-14]m数量级。而原子的半径是10[-10]m数量级。可见原子核在原子中是很小的。
4.对科学史的影响
在探索原子奥秘的征途中，发现电子是一大进展，发现原子核又是一大进展，它们都是近代物理学发展中的里程碑。只有在发现了电子和原子核之后，才能建立正确的原子理论；才能对光谱作出合理的解释；才能为量子力学、原子核物理的发展奠定基础。
卢瑟福的方法和理论开辟了一条正确研究原子结构的途径，为近代物理的发展建立了不朽的功勋。
5.实验对现代科学工作者的几点启示
5.1 仔细、认真是科学家的基本素质之一
当卢瑟福通过观察α粒子经金属片吸收后辐射强度来验证汤姆孙的“果子干面包”模型时，有很多科学家也在做类似的实验。由于只有1/8000的α粒子偏转大于90°，这种散射是非常弱的，因此很多人忽略了这个实验现象。而卢瑟福和他的同事们由于仔细认真、一丝不苟的工作，却抓住了上帝赐予的机会，发现了α粒子散射现象，进而建立了原子的核式结构模型，对人类社会做出极大的贡献。
5.2 创新思维是科学研究的关键
当卢瑟福发现α粒子散射现象时，汤姆孙的“果子干面包”模型已得到很多科学家的认可。卢瑟福却敢于创新，不受经典理论的束缚，科学地提出原子的核式模型，并通过理论与实验加以验证。这再一次证明创新思维是科学研究的关键。
5.3 实践是检验真理的唯一标准
当卢瑟福提出有核原子模型时，他清楚地知道，这个模型面临与经典理论相矛盾的危险，因为电磁辐射消耗能量无法满足稳定性要求，但他却大胆地向经典理论挑战，因为他有大角度α散射的实验事实作为依据。他相信自己的散射理论要比汤姆孙的散射理论更具有普遍性，既能解释α大角度散射，又能解释β散射，是经得起实践检验的。
卢瑟福的原子模型提出之初，遭到了为时不短的冷遇。例如，1911年第一届索尔未国际物理讨论会，卢瑟福参加了，但在会议记录中竟没有提到卢瑟福的新近工作。1913年，汤姆孙在作原子模型系列讲座时，也没有提到。有人查过当年的报刊文献，对卢瑟福的原子模型理论几乎没有任何反响。也许当时人们觉得卢瑟福的理论过于粗糙，把它置于形形色色的假说和猜想之列，认为它无非是一种说法而已，所以不值得一提。
然而，以卢瑟福为核心的曼彻斯特大学物理实验室的同事们继续坚定地走下去。盖革和马斯登为检验卢瑟福散射理论进行了系统实验研究，全面肯定了这个理论的正确性。在卢瑟福提出原子有核模型时期，从丹麦来的玻尔（N.Bohr）正在卢瑟福的实验室里作访问研究。他十分敬佩卢瑟福和他的学说。为了从理论进一步说明卢瑟福模型，玻尔运用量子理论，提出了原子中外围电子轨道的定态能级和跃迁理论，这不但成功地解释了卢瑟福模型的原子稳定性以及弗兰克—赫兹实验，并且成功地解释了氢原子光谱。依万士（EJ.Evans）的氦光谱实验证实了玻尔关于匹克林（Pickering）谱系的预见。莫塞莱（HG.J.Moseley）测定各种元素的X射线标识谱线，证明它们具有确定的规律性，为卢瑟福和玻尔的原子理论提供了有力证据。到1914～1915年，这个理论终于得到了世人的公认。因此有人把这个模型称为卢瑟福—玻尔模型。
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