α粒子散射实验

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α粒子散射实验,又称卢瑟福散射实验和盖革-马斯登实验,是1909年汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登在欧内斯特·卢瑟福指导下于英国曼彻斯特大学做的一个著名散射实验。

实验是用α粒子轰击各种金属箔纸,发现绝大多数α粒子的偏向很小,但少数的偏向角很大甚至大于90度。由此可以证明,一个原子大部分的体积是空的空间,这由没有被弹回的粒子充分说明。

这个实验推翻了约瑟夫·汤姆孙创建的汤姆孙模型 。根据这模型,原子是由电子悬浮于均匀分布的带正电物质里所组成。这个实验为建立现代原子核理论打下了坚实基础。

这实验主要调研三个论题:

测量α粒子从各种不同金属反射的相对数量。
测量α粒子从不同厚度的薄金箔纸反射的相对数量。
测量α粒子对于白金的入射与反射的数量比例。

左图:从均匀原子核模型预测的α粒子散射情况,α粒子运动方向只会发生微小偏转。右图:卢瑟福等人实际观测到的情况,小部分的α粒子运动方向会发生大幅度偏转,因为原子核的正电荷都集中在小范围区域。

α粒子散射实验历史

α粒子散射的实验完成于1909年。在那时代,原子被认为类比于梅子布丁(物理学家约瑟夫·汤姆孙提出的),负电荷(梅子)分散于正电荷的圆球(布丁)。假若这梅子布丁模型是正确的,由于正电荷完全散开,而不是集中于一个原子核,库仑位势的变化不会很大,通过这位势的阿尔法粒子,其移动方向应该只会有小角度偏差。

在卢瑟福的指导下,盖革和马士登发射阿尔法粒子射束来轰击非常薄、只有几个原子厚度的白金箔纸。[注 1]然而,他们得到的实验结果非常诡异,大约每8000个α粒子,就有一个粒子的移动方向会有很大角度的偏差(甚至超过 90°);而其它粒子都直直地通过白金箔纸,偏差几乎在2°到3°以内,甚至几乎没有偏差。从这结果,卢瑟福断定,大多数的质量和正电荷,都集中于一个很小的区域(这个区域后来被称作“原子核”);电子则包围在区域的外面。当一个(正价)α粒子移动到非常接近原子核,它会被很强烈的排斥,以大角度反弹。原子核的小尺寸解释了为什么只有极少数的α粒子被这样排斥。

卢瑟福对这奇异的结果感到非常惊异。他后来常说:“这是我一生中最难以置信的事件…如同你用15吋巨炮朝着一张卫生纸射击,而炮弹却被反弹回来而打到自己一般地难以置信。

卢瑟福计算出原子核的尺寸应该小于  10^(-14)m。至于其具体的数值,卢瑟福无法从这实验决定出来。

高中物理知识点总结

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