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α粒子散射實驗（證實湯姆生模型正確性的實驗）

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α粒子散射實驗

證實湯姆生模型正確性的實驗

α粒子散射實驗（Geiger–Marsden experiment(s)）又稱金箔實驗、Geiger-Marsden實驗或盧瑟福α粒子散射實驗。是1909年漢斯·蓋革和恩斯特·馬斯登(Jishi.Y)在歐內(nèi)斯特·盧瑟福指導下于英國曼徹斯特大學做的一個著名物理實驗。

基本信息

中文名	α粒子散射實驗
外文名	Geiger–Marsden experiment(s) 又稱Rutherford gold foil experiment
別名	金箔實驗
類型	物理實驗
實驗目的	證實湯姆生原子模型的正確性
時間	1909年

收起

發(fā)展歷史

實驗用準直的α射線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言的大得多的偏轉(zhuǎn)，大約有

的α粒子偏轉(zhuǎn)角大于

，甚至觀察到偏轉(zhuǎn)角等于

的散射，稱大角散射，更無法用湯姆森模型說明。1911年盧瑟福提出原子的有核模型(又稱原子的核式結(jié)構(gòu)模型），與正電荷聯(lián)系的質(zhì)量集中在中心形成原子核，電子繞著核在核外運動，由此導出α粒子散射公式，說明了α粒子的大角散射。盧瑟福的散射公式后來被蓋革和馬斯登改進了的實驗系統(tǒng)地驗證。根據(jù)大角散射的數(shù)據(jù)可得出原子核的半徑上限為

米，此實驗開創(chuàng)了原子結(jié)構(gòu)研究的先河。這個實驗推翻了J.J.湯姆森在1903年提出的原子的葡萄干圓面包模型，認為原子的正電荷和質(zhì)量聯(lián)系在一起均勻連續(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，為建立現(xiàn)代原子核理論打下了基礎(chǔ)。

實驗內(nèi)容

實驗理論

釙元素散射實驗

直線運動的α 和β 粒子在碰到物質(zhì)原子時，運動方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。β 粒子的散射數(shù)目要比α 粒子更多，因為β 粒子的動量和能量要小得多。似乎已沒有疑問，如此迅速移動的粒子以其原來的路徑穿過了原子，而觀察到的偏轉(zhuǎn)是由于遍布于原子系統(tǒng)內(nèi)強電場作用的結(jié)果。一般假設，一束α 或β 粒子射線在通過薄片物質(zhì)時的散射，是物質(zhì)原子來回多次小散射的結(jié)果。然而，Geiger 和 Marsden 對α射線散射的觀察顯示，某些α 粒子在單次碰撞時，一定會發(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 20000 個中有1 個，在穿過厚度約為 0.00004cm的金箔時平均偏轉(zhuǎn)了

的角度，如此厚度的金箔阻止α 粒子的能力相當于1.6mm厚度的空氣。Geiger 接著指出，一束α 粒子穿過以上厚度金箔最可能偏轉(zhuǎn)的角度是

。基于概率理論的一個簡單計算表明，粒子偏轉(zhuǎn)

的機會是微乎其微的。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 粒子對各種角度的分布并不遵守預期的概率定律。大角度偏轉(zhuǎn)是由于單次原子碰撞的設想似乎是有道理的，因為第二次同樣碰撞而產(chǎn)生大角度偏轉(zhuǎn)的概率在大多數(shù)情況下是很小的。一個簡單的計算顯示，原子必須具有強電場的核心，才能在單次碰撞中產(chǎn)生如此大的偏轉(zhuǎn)。

約瑟夫約翰湯姆森

J. J. Thomson（湯姆森）提出了一種理論來解釋帶電粒子在通過很薄的物質(zhì)時產(chǎn)生的散射。他假設原子是由帶 N個負電荷的粒子構(gòu)成，伴隨著相同數(shù)量的正電荷，均勻地分布在整個球內(nèi)。負電荷粒子（如β 粒子）在穿過原子時的偏轉(zhuǎn)歸結(jié)為兩個原因——（1）分布在原子內(nèi)負電荷的斥力，（2）原子內(nèi)正電荷的吸引力。粒子在經(jīng)過原子時的偏轉(zhuǎn)假設是很小的，盡管在與一個很大質(zhì)量m碰撞后的平均角度為 m θ ? ，其中θ是對于單個原子的平均偏轉(zhuǎn)。這表明，原子內(nèi)部的電子數(shù)N可以通過觀察帶電離子的散射推斷出來。這個混合散射理論的精確性在后來 Crowther 的一篇論文中做了實驗檢驗。 Crowther 的實驗結(jié)果明顯地確認了Thomson（湯姆森）理論的主要結(jié)論，而且 Crowther 基于正電荷的連續(xù)性假設推導出，原子中的電子數(shù)大約是原子重量的三倍。

J. J. Thomson（湯姆森）理論是基于“單次原子碰撞產(chǎn)生的散射是很小的”這個假設。而且對原子特殊結(jié)構(gòu)的假設也不允許α 粒子在穿過單個原子時有很大的偏轉(zhuǎn)，除非假設正電荷球的直徑與原子球的直徑相比是極小的。

由于α 和β 粒子穿過了原子，通過對偏轉(zhuǎn)本質(zhì)的密切研究而形成關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的某些看法，從而產(chǎn)生觀察到的效應，這是很有可能的。事實上，高速帶電粒子被物質(zhì)原子散射就是解決這個問題最有希望的方法之一。開發(fā)出為單個α 粒子計數(shù)的閃爍法就提供了獨特的研究優(yōu)勢，而 H.Geiger 正是通過這種方法的研究，已經(jīng)為我們增加了很多關(guān)于α射線被物質(zhì)散射的知識。

實驗目的

盧瑟福從1909年起做了著名的α粒子散射實驗，實驗的目的是想證實湯姆孫原子模型的正確性，實驗結(jié)果卻成了否定湯姆孫原子模型的有力證據(jù)。在此基礎(chǔ)上，盧瑟福提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。

α粒子散射實驗示意圖

為了要考察原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，必須尋找一種能射到原子內(nèi)部的試探粒子，這種粒子就是從天然放射性物質(zhì)中放射出的α粒子。盧瑟福和他的助手用α粒子轟擊金箔來進行實驗，如圖是這個實驗裝置的示意圖。

在一個鉛盒里放有少量的放射性元素釙(Po)，它發(fā)出的α射線從鉛盒的小孔射出，形成一束很細的射線射到金箔上。當α粒子穿過金箔后，射到熒光屏上產(chǎn)生一個個的閃光點，這些閃光點可用顯微鏡來觀察。為了避免α粒子和空氣中的原子碰撞而影響實驗結(jié)果，整個裝置放在一個抽成真空的容器內(nèi)，帶有熒光屏的顯微鏡能夠圍繞金箔在一個圓周上移動。

實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明，絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進，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

，有的甚至幾乎達到

而被反彈回來，這就是α粒子的散射現(xiàn)象。

銅原子結(jié)構(gòu)

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)湯姆孫模型的計算，α粒子穿過金箔后偏離原來方向的角度是很小的，因為電子的質(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，運動方向不會發(fā)生明顯的改變。正電荷又是均勻分布的，α粒子穿過原子時，它受到原子內(nèi)部兩側(cè)正電荷的斥力大部分相互抵消，α粒子偏轉(zhuǎn)的力就不會很大。然而事實卻出現(xiàn)了極少數(shù)α粒子大角度偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。盧瑟福后來回憶說：“這是我一生中從未有的最難以置信的事，它好比你對一張紙發(fā)射出一發(fā)炮彈，結(jié)果被反彈回來而打到自己身上……”盧瑟福對實驗的結(jié)果進行了分析，認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，認為在原子的中心有一個很小的核，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粒子穿過原子時，電子對α粒子運動的影響很小，影響α粒子運動的主要是帶正電的原子核。而絕大多數(shù)的α粒子穿過原子時離核較遠，受到的庫侖斥力很小，運動方向幾乎沒有改變，如圖14-2(b)中的1、3、4、6、7、9，只有極少數(shù)α粒子可能與核十分接近，受到較大的庫侖斥力，才會發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)，如圖14-2(b)中的2，5，8。

根據(jù)α粒子散射實驗，可以估算出原子核的直徑約為

米～

米，原子直徑大約是

，所以原子核的直徑大約是原子直徑的萬分之一，原子核的體積只相當于原子體積的萬億分之一。

最終結(jié)論

結(jié)果：大多數(shù)散射角很小，約

散射大于

；極個別的散射角等于

。

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)量相對較大。

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