盧瑟福發(fā)現(xiàn)核子實(shí)驗(yàn)

1909至1911年英國(guó)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)盧瑟福發(fā)現(xiàn)核子實(shí)驗(yàn)01介紹散射實(shí)驗(yàn)α射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的意義目錄030204基本信息1909至1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福（1871～1937）和他的合作者們做了以α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)，推翻了J.J.湯姆森在1903年提出的原子的葡萄干圓面包模型，并提出了盧瑟福原子模型（也被稱(chēng)為“有核原子模型”、“原子太陽(yáng)系模型”、“原子行星模型”）。他通過(guò)α粒子為物質(zhì)所散射的研究，無(wú)可辯駁的論證了原子的核模型，因而一舉把原子結(jié)構(gòu)的研究引上了正確的軌道。介紹介紹ErnestRutherford實(shí)驗(yàn)用準(zhǔn)直的α射線(xiàn)轟擊厚度為微米的金箔，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的α粒子都照直穿過(guò)薄金箔，偏轉(zhuǎn)很小，但有少數(shù)α粒子發(fā)生角度比湯姆生模型所預(yù)言的大得多的偏轉(zhuǎn)，大約有1/8000的α粒子偏轉(zhuǎn)角大于90°，甚至觀察到偏轉(zhuǎn)角等于150°的散射，稱(chēng)大角散射，更無(wú)法用湯姆森模型說(shuō)明。1911年盧瑟福提出原子的有核模型(又稱(chēng)原子的核式結(jié)構(gòu)模型），與正電荷的質(zhì)量集中在中心形成原子核，電子繞著核在核外運(yùn)動(dòng)，由此導(dǎo)出α粒子散射公式，說(shuō)明了α粒子的大角散射。盧瑟福的散射公式后來(lái)被蓋革和馬斯登改進(jìn)了的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地驗(yàn)證。根據(jù)大角散射的數(shù)據(jù)可得出原子核的半徑上限為10-14m

，此實(shí)驗(yàn)開(kāi)創(chuàng)了原子結(jié)構(gòu)研究的先河。這個(gè)實(shí)驗(yàn)推翻了J.J.湯姆森在1903年提出的原子的葡萄干圓面包模型，認(rèn)為原子的正電荷和質(zhì)量在一起均勻連續(xù)分布于原子范圍，電子鑲嵌在其中，可以在其平衡位置作微小振動(dòng)，為建立現(xiàn)代原子核理論打下了基礎(chǔ)。α射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)α射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)α、β、γ射線(xiàn)的穿透性盧瑟福設(shè)計(jì)了巧妙的實(shí)驗(yàn)，他把鈾、鐳等放射性元素放在一個(gè)鉛制的容器里，在鉛容器上只留一個(gè)小孔。由于鉛能擋住放射線(xiàn)，所以只有一小部分射線(xiàn)從小孔中射出來(lái)，成一束很窄的放射線(xiàn)。盧瑟福在放射線(xiàn)束附近放了一塊很強(qiáng)的磁鐵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有一種射線(xiàn)不受磁鐵的影響，保持直線(xiàn)行進(jìn)，而且有很強(qiáng)的穿透力，一般的材料如紙、木片之類(lèi)的東西都擋不住射線(xiàn)的前進(jìn)，只有比較厚的鉛板才可以把它完全擋住，稱(chēng)為γ射線(xiàn)。第二種射線(xiàn)受磁鐵的影響，偏向一邊，但偏轉(zhuǎn)得不厲害。從磁場(chǎng)的方向可判斷出這種射線(xiàn)是帶正電的，這種射線(xiàn)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(fā)現(xiàn)的α射線(xiàn)。第三種射線(xiàn)偏轉(zhuǎn)得很厲害。由偏轉(zhuǎn)方向斷定是帶負(fù)電的，性質(zhì)同快速運(yùn)動(dòng)的電子一樣，稱(chēng)為β射線(xiàn)。盧瑟福對(duì)他自己發(fā)現(xiàn)的α射線(xiàn)特別感興趣。他經(jīng)過(guò)深入細(xì)致的研究后指出，α射線(xiàn)是帶正電的粒子流，這些粒子是氦原子的離子，即少掉兩個(gè)電子的氦原子。散射實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)理論實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)驗(yàn)結(jié)果散射實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)理論釙元素散射實(shí)驗(yàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的α和β粒子在碰到物質(zhì)原子時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。β粒子的散射數(shù)目要比α粒子更多，因?yàn)棣铝Ｗ拥膭?dòng)量和能量要小得多。似乎已沒(méi)有疑問(wèn)，如此迅速移動(dòng)的粒子以其原來(lái)的路徑穿過(guò)了原子，而觀察到的偏轉(zhuǎn)是由于遍布于原子系統(tǒng)內(nèi)強(qiáng)電場(chǎng)作用的結(jié)果。一般假設(shè)，一束α或β粒子射線(xiàn)在通過(guò)薄片物質(zhì)時(shí)的散射，是物質(zhì)原子來(lái)回多次小散射的結(jié)果。然而，Geiger和Marsden對(duì)α射線(xiàn)散射的觀察顯示，某些α粒子在單次碰撞時(shí)，一定會(huì)發(fā)生大于正常角度的偏轉(zhuǎn)。例如，他們發(fā)現(xiàn)，一小部分入射α粒子，大約個(gè)中有1個(gè)，在穿過(guò)厚度約為0.cm的金箔時(shí)平均偏轉(zhuǎn)了90°的角度，如此厚度的金箔阻止α粒子的能力相當(dāng)于1.6mm厚度的空氣。Geiger接著指出，一束α粒子穿過(guò)以上厚度金箔最可能偏轉(zhuǎn)的角度是0.87°?；诟怕世碚摰囊粋€(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算表明，粒子偏轉(zhuǎn)90°的機(jī)會(huì)是微乎其微的。此外，稍后可以看出，如果這種大角度偏轉(zhuǎn)是由許多小的偏轉(zhuǎn)組成，那么，這種大角度偏轉(zhuǎn)的α粒子對(duì)各種角度的分布并不遵守預(yù)期的概率定律。大角度偏轉(zhuǎn)是由于單次原子碰撞的設(shè)想似乎是有道理的，因?yàn)榈诙瓮瑯优鲎捕a(chǎn)生大角度偏轉(zhuǎn)的概率在大多數(shù)情況下是很小的。一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算顯示，原子必須具有強(qiáng)電場(chǎng)的核心，才能在單次碰撞中產(chǎn)生如此大的偏轉(zhuǎn)。

α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置示意圖son（湯姆森）提出了一種理論來(lái)解釋帶電粒子在通過(guò)很薄的物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的散射。他假設(shè)原子是由帶N個(gè)負(fù)電荷的粒子構(gòu)成，伴隨著相同數(shù)量的正電荷，均勻地分布在整個(gè)球內(nèi)。負(fù)電荷粒子（如β粒子）在穿過(guò)原子時(shí)的偏轉(zhuǎn)歸結(jié)為兩個(gè)原因——(1)分布在原子內(nèi)負(fù)電荷的斥力，(2)原子內(nèi)正電荷的吸引力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，并有極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)超過(guò)90°，有的甚至幾乎達(dá)到180°而被反彈回來(lái)，這就是α粒子的散射現(xiàn)象。發(fā)生極少數(shù)α粒子的大角度偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象是出乎意料的。根據(jù)湯姆孫模型的計(jì)算，α粒子穿過(guò)金箔后偏離原來(lái)方向的角度是很小的，因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)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(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生明顯的改變。正電荷又是均勻分布的，α粒子穿過(guò)原子時(shí)，它受到原子內(nèi)部?jī)蓚?cè)正電荷的斥力大部分相互抵消，α粒子偏轉(zhuǎn)的力就不會(huì)很大。然而事實(shí)卻出現(xiàn)了極少數(shù)α粒子大角度偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。盧瑟福后來(lái)回憶說(shuō)：“這是我一生中從未有的最難以置信的事，它好比你對(duì)一張紙發(fā)射出一發(fā)炮彈，結(jié)果被反彈回來(lái)而打到自己身上……”盧瑟福對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析，認(rèn)為只有原子的幾乎全部質(zhì)量和正電荷都集中在原子中心的一個(gè)很小的區(qū)域，才有可能出現(xiàn)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(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核(nucleus)，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)。按照這一模型，α粒子穿過(guò)原子時(shí)，電子對(duì)α粒子運(yùn)動(dòng)的影響很小，影響α粒子運(yùn)動(dòng)的主要是帶正電的原子核。而絕大多數(shù)的α粒子穿過(guò)原子時(shí)離核較遠(yuǎn)，受到的庫(kù)侖斥力很小，運(yùn)動(dòng)方向幾乎沒(méi)有改變，只有極少數(shù)α粒子可能與核十分接近，受到較大的庫(kù)侖斥力，才會(huì)發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論結(jié)果：大多數(shù)散射角很小，約1/8000散射大于90°；極個(gè)別的散射角等于180°。結(jié)論：正電荷集中在原子中心。大多數(shù)α粒子穿透金箔：原子內(nèi)有較大空間，而且電子質(zhì)量很小。一小部分α粒子改變路徑：原子內(nèi)部有一微粒，而且該微粒的體積很小，帶正電。極少數(shù)的α粒子反彈：原子中的微粒體積較小，但質(zhì)量相對(duì)較大。現(xiàn)實(shí)的意義現(xiàn)實(shí)的意義盧瑟福的理論開(kāi)拓了研究原子結(jié)構(gòu)的新途徑，為原子科學(xué)的發(fā)展立下了不朽的功勛。然而，在當(dāng)時(shí)很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，盧瑟福的理論遭到物理學(xué)家們的冷遇。盧瑟福原子模型存在的致命弱點(diǎn)是正負(fù)電荷之間的電場(chǎng)力無(wú)法滿(mǎn)足穩(wěn)定性的要求，即無(wú)法解釋電子是如何穩(wěn)定地待在核外。1904年長(zhǎng)崗半太郎提出的土星模型就是因?yàn)闊o(wú)法克服穩(wěn)定性的困難而未獲成功。因此，當(dāng)盧瑟福又提出有核原子模型時(shí)，很多科學(xué)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(jù)的堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。盧瑟福具有非凡的洞察力，因而常常能夠抓住本質(zhì)作出科學(xué)的預(yù)見(jiàn)。同時(shí)，他又有十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，他