2020年是不平凡的一年，傳統教學模式受到巨大的挑戰，網際網路+教育迎來了新的發展機遇。
在剛剛過去的2020年春季學期，西北師大物電學院2018級物理學1班的同學們在學習《原子物理學》課程的過程中，積極主動認真的開展了課外閱讀與思考，現選擇一些優秀的學習成果予以分享。
Geiger–Marsden experiment
英國著名物理學家盧瑟福(Ernest Rutherford，1871-1937)於1911年提出原子的有核模型(又稱原子的核式結構模型)，認為原子的質量幾乎全部集中在直徑很小的核心區域，叫原子核，電子在原子核外繞核作軌道運動。原子核帶正電，電子帶負電。由此導出α粒子散射公式，說明了α粒子的大角散射。盧瑟福的散射公式後來被蓋革和馬斯登改進了的實驗系統地驗證。根據大角散射的數據可得出原子核的半徑上限為10^(-14)m。這個實驗推翻了湯姆孫在1904年提出的原子的葡萄乾圓麵包模型，認為原子的正電荷和質量聯繫在一起均勻連續分布於原子範圍，電子鑲嵌在其中，可以在其平衡位置作微小振動，為建立現代原子核理論打下了基礎。
1803年，英國自然科學家約翰·道爾頓提出了原子的實心球模型，認為原子是一個不可再分的堅硬實心小球，將原子從哲學帶入化學研究中。
它是現代物理學的一個不可缺少的序幕，也是我們認識化學的主要學說。
1901年法國物理學家佩蘭認為原子的中心是一些帶正電的粒子，外圍是一些繞轉著的電子，電子繞轉的周期對應於原子發射的光譜線頻率，最外層的電子拋出就發射陰極射線。
湯姆遜以為原子含有一個均勻的陽電球，若干陰性電子在這個球體內運行，就像葡萄乾點綴在一塊蛋糕裡，大多人將湯姆遜的原子模型稱為「葡萄乾蛋糕模型」。
它能解釋原子為什麼是電中性的，電子在原子裡是怎樣分布的，而且還能解釋陰極射線現象和金屬在紫外線的照射下能發出電子的現象，正由於湯姆遜模型能解釋當時很多的實驗事實，所以很易被當時許多物理學家所接受。
日本物理學家長岡半太郎，認為正負電不能相互滲透，提出一種稱之為「土星模型」的結構——即圍繞帶正電的核心有電子環轉動的原子模型。
一個大質量的帶正電的球，外圍有一圈等間隔分布著的電子以同樣的角速度做圓周運動。
雖然長岡的理論很不完善，但他實際上已經提出了原子核的概念，為後來的盧瑟福核式結構模型提出埋下了伏筆。
1911年，英國物理學家盧瑟福根據α粒子散射實驗，提出了原子結構的行星模型，認為電子像太陽系的行星圍繞太陽轉那樣，圍繞著原子核旋轉。
但根據經典電磁理論，繞核旋轉的電子會發射出電磁輻射而損失能量，瞬間便掉進原子核裡。行星原子模型與實際情況相悖。
1912年，玻爾在盧瑟福行星模型的基礎上，引入了普朗克的量子概念，量子化軌道原子模型給出了這樣的原子圖像：電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運動，離核愈遠能量愈高；可能的軌道由電子的角動量為h/2π的整數倍決定；當電子在這些可能的軌道上運動時，原子不發射也不吸收能量；當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時，原子才發射或吸收能量。
玻爾的量子軌道原子模型成功地解決了原子結構的穩定性問題和氫原子光譜線規律。玻爾的理論擴展了量子論的影響，加速了量子論的發展。
美中不足的是，玻爾的量子軌道原子模型只能有效描述結構最簡單的氫原子。
電子云是1926年奧地利學者薛丁格在德布羅意關係式的基礎上，對電子的運動做了適當的數學處理，提出了二階偏微分的的著名的薛丁格方程式。這個方程式的解是模的平方，如果用三維坐標以圖形表示的話，就是電子云。
電子有波粒二象性，它不像宏觀物體的運動那樣有確定的軌道，因此畫不出它的運動軌跡。我們不能預言它在某一時刻究竟出現在核外空間的哪個地方，只能知道它在某處出現的機會有多少。
R：原子球半徑
r：α粒子到原子球的距離
m：α粒子的質量
v0：α粒子的初速度
v：在原子面上α粒子的速度
由牛頓第二定律得
α粒子在原子外，即r>R，受原子正電荷的力：
α粒子在到達球面時受力最大，而進入球後，r越小，F越小，故不能發生大角散射。
歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）
1871年8月30日－1937年10月19日，英國著名物理學家，著名的原子核物理學之父。學術界公認的繼法拉第之後最偉大的實驗物理學家。
1895年，進入卡文迪許實驗室成為湯姆遜的研究生
1899年，發現了新型放射線和放射性元素「釷」
1902年，提出原子自然蛻變的理論，衝破了原子不可再分的理論，獲1908年諾貝爾化學獎
1911年，根據α粒子散射實驗提出核式模型
盧瑟福對於放射性的研究，開拓了原子核物理學和原子物理學的新領域，被稱為原子核之父
培養了11名諾貝爾獎獲得者，是至今世界上培養諾貝爾獎獲得者最多的導師
a.點電荷，庫侖力相互作用
b.忽略核外電子作用
c.靶原子核靜止
d.單次散射
e.經典力學適用
如圖所示，一個質量為m，初速度為v0的阿爾法粒子，瞄準距離為b，從左邊無限遠處向右運動轟擊金箔，在接近金原子核後，由於受到庫倫斥力，偏轉了θ，它的末速度為v1。
建立直角坐標系，規定向右為正方向，將速度v1和r分解到x軸和y軸兩個方向，得：
設有一個初速為v0的α粒子(+2e)射到一原子核(Ze)附近，由於兩者的排斥力，在原子核質量比α粒子大得多的情況下，則認為原子核不動而α粒子偏離原來的運動方向。
如圖所示，v0是α粒子的初速度，b是原子核離α粒子原運動軌跡的延長線的垂直距離，也稱瞄準距離。θ是偏轉角或散射角，m是α粒子的質量。
設α粒子達到離原子核最小距離rm處的速度為v，根據能量守恆定律和角動量守恆定律，得：
θ=π-2θ0，而α+θ0=π/2
所以θ=2α，即α=θ/2，代入（12）式得：
大角散射一般是一次大角散射和多次小角散射合成的，小角散射向各個方向，可以忽略。
但對於小角散射而言，是多次小角散射合成的結果，任何一個都有貢獻，因此不能忽略，故一次散射理論不適用[2]。
此外，小角散射相當於大的瞄準距離，需要考慮電子屏蔽作用。
盧瑟福的α粒子散射實驗可以說的上近代科學發展史上最重要的物理實驗之一，他不僅為建立原子的核式結構模型奠定了實驗基礎，而且還開創了一種重要的研究微觀世界的科學方法——用高速粒子「轟擊」。
這一實驗在科學發展史上具有裡程碑式的意義，可以說它打開了微觀世界的大門，同時也帶來了研究微觀世界的「鑰匙」。
直至今日，依賴於粒子加速器的高能物理學依然是最為尖端的學科，量子力學和相對論的研究都離不開這些長長的加速管道。
圖片來源
http://blog.sciencenet.cn/blog-22926-953836.html
盧瑟福的α粒子散射實驗可以說的上近代科學發展史上最重要的物理實驗之一，他不僅為建立原子的核式結構模型奠定了實驗基礎，而且還開創了一種重要的研究微觀世界的科學方法——用高速粒子「轟擊」。這一實驗在科學發展史上具有裡程碑式的意義，可以說它打開了微觀世界的大門。
[1] 胡寶堅.α粒子散射公式的幾種推導方法[J].西江大學學報,1999(03):61-66.
[2] 師應龍,丁曉彬,李冀光,董晨鐘.α粒子散射實驗的理論模擬[J].大學物理,2007(05):40-43.
編 輯：奧裡給組
指導老師: 丁曉彬教授
小組成員: 安帥吉 遊心蕊 郭炳榮
李昕航 孫燕霞
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