盧瑟福和a粒子散射實驗

2021-01-15 初中化學大師

原子內部的結構到底是怎樣的呢?科學家們繼續著探究的步伐。英國物理學家盧瑟福是湯姆遜的學生，在湯姆遜的指導下，盧瑟福對各種射線進行了深入的研究,發現了帶兩個單位正電荷的氦離子，盧瑟福稱它為a粒子。

盧瑟福讓他的學生和助手用a粒子去轟擊金箔，利用螢光屏記錄那些穿過金箔的a粒子。按照湯姆遜的葡萄乾麵包模型，質量微小的電子分布在均勻的帶正電的物質中，而a粒子是失去2個電子的氦原子，它的質量要比電子大幾千倍，當這樣一顆重型炮彈轟擊原子時，小小的電子是抵擋不住的,而金原子中的正物質均勻分布在整個原子體積中，也不可能抵擋住a粒子的轟擊。也就說，a粒子將很容易地穿過金箔，即使受到一點阻擋的話,也僅僅是a粒子穿過金箔後稍微改變一下前進的方向而已。但是實驗的結果卻與他們的預期有很大的差異，雖然絕大多數的a粒子都照直穿過薄金箔，偏轉很小,但大約有

1/8 000的a粒子偏轉角大於90° ,甚至觀察到偏轉角等於150°的散射，稱大角散射。盧瑟福這樣形容他們當時的吃驚程度:這是我一生中遇到的最不可思議的事情。這就像你對著捲菸紙射出一顆15英寸的炮彈,卻被反射回來的炮彈擊中一樣地不可思議。

如何解釋這一反常現象呢?盧瑟福認為只有一個可能,那就是原子質量絕大部分都集中在一一個很小的核中。1911年, 盧瑟福根據a粒子散射實驗結果提出了「核式結構模型」:原子的中心有一個佔據了絕大部分質量的「原子核」。而在原子核的四周，帶負電的電子繞著原子核高速運動。這很像一個行星系統(比如太陽系),所以這個模型又被稱為「行星系統」模型。在這裡，原子核就像是我們的太陽,而電子則是圍繞太陽運行的行星們。

但是，這個看來完美的模型卻有著自身難以克服的嚴重困難。因為物理學家們很快就指出，根據傳統物理學的電磁理論,帶負電的電子繞著帶正電的原子核運轉，這個體系是不穩定的。兩者之間會放射出強烈的電磁輻射,從而導致電子一點點地失去自己的能量。作為代價，它便不得不逐漸縮小運行半徑，直到最終「墜毀」在原子核上為止,整個過程用時不過一眨眼的工夫。對於這個穩定性的矛盾,盧瑟福並不諱言，他在自己論文的開頭就聲明:「在現階段,不必考慮原子的穩定性問題,因為顯然這將取決於原子的細微結構和帶電組成部分的運動。」

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  • 康普頓散射的新進展
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    但是，講的大多都是粒子的波動行為，很少講光的粒子行為。原因嘛，我猜是微觀粒子（和光）的波粒二象性在理解上具有很強的不對稱性：人的認識更多來自於宏觀世界，很難理解粒子的分身術（波動行為），比較容易理解粒子的獨立性（粒子性）。返樸君給了我一篇日前發表在《自然·物理學》的學術論文，德國法蘭克福歌德大學的研究人員關於康普頓散射（也就是康普頓效應）的最新實驗和理論工作，希望我能介紹一下。
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    高能粒子過了幾年盧瑟福有了新的研究成果，他把阿爾法射線，單獨讓它射進一個罐子裡，這樣就好，研究，結果卻讓他大吃一驚，他得到的這罐阿爾法粒子居然是氦氣。又反覆做了好幾次實驗，沒毛病啊，所以盧瑟福就只能夠無奈的得出結論，這阿爾法粒子，就是帶正電的氦原子。
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    編者按：本文是張文裕先生1987 年紀念他的導師盧瑟福逝世50 周年的回憶文字。張文裕口述，丁林愷記錄整理。張文裕（1910-1992）是中國宇宙線研究和高能實驗物理的開創人之一，學術上最突出的成就是發現μ介原子，開創了奇特原子物理的深入研究。
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    鱷魚，是盧瑟福科學精神的象徵。（網絡圖） 這個銅像的主人就是被同行稱為「科學鱷魚」的盧瑟福。盧瑟福絕對算是全世界對諾貝爾獎貢獻最大的人，因為他和他的學生，一共12人相繼獲得諾貝爾獎。 盧瑟福在實驗室（網絡圖） 經過一翻論證，盧瑟福決定用一種叫「α」的粒子去轟擊原子。