α粒子散射實驗

實驗用準直的α射線轟擊厚度為微米的金箔，發現絕大多數的α粒子都照直穿過薄金箔，偏轉很小，但有少數α粒子發生角度比湯姆生模型所預言的大得多的偏轉，大約有1/8000 的α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，更無法用湯姆森模型説明。1911年盧瑟福提出原子的有核模型（結構模型），與正電荷聯繫的質量集中在中心形成原子核，電子繞着核在核外運動，由此導出α粒子散射公式，説明了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

米 ^[1]  ，此實驗開創了原子結構研究的先河。這個實驗推翻了J.J.湯姆森在1903年提出的原子的葡萄乾圓麪包模型，認為原子的正電荷和質量聯繫在一起均勻連續分佈於原子範圍，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。

直線運動的α 和β 粒子在碰到物質原子時，運動方向會發生偏轉。β 粒子的散射數目要比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，而觀察到的偏轉是由於遍佈於原子系統內強電場作用的結果。一般假設，一束α 或β 粒子射線在通過薄片物質時的散射，是物質原子來回多次小散射的結果。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，一定會發生大於正常角度的偏轉。例如，他們發現，一小部分入射α 粒子，大約 20000 箇中有1 個，在穿過厚度約為 0.00004cm的金箔時平均偏轉了 90°的角度，如此厚度的金箔阻止α 粒子的能力相當於1.6mm厚度的空氣。Geiger 接着指出，一束α 粒子穿過以上厚度金箔最可能偏轉的角度是 0.87°。基於概率理論的一個簡單計算表明，粒子偏轉 90°的機會是微乎其微的。此外，稍後可以看出，如果這種大角度偏轉是由許多小的偏轉組成，那麼，這種大角度偏轉的α 粒子對各種角度的分佈並不遵守預期的概率定律。大角度偏轉是由於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生大角度偏轉的概率在大多數情況下是很小的。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生如此大的偏轉。 ^[2] 

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時產生的散射。他假設原子是由帶 N個負電荷的粒子構成，伴隨着相同數量的正電荷，均勻地分佈在整個球內。負電荷粒子（如β 粒子）在穿過原子時的偏轉歸結為兩個原因——（1）分佈在原子內負電荷的斥力， （2）原子內正電荷的吸引力。粒子在經過原子時的偏轉假設是很小的，儘管在與一個很大質量m碰撞後的平均角度為 m θ ⋅ ， 其中θ是對於單個原子的平均偏轉。這表明，原子內部的電子數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後來 Crowther 的一篇論文中做了實驗檢驗。 Crowther 的實驗結果明顯地確認了Thomson（湯姆森）理論的主要結論，而且 Crowther 基於正電荷的連續性假設推導出，原子中的電子數大約是原子重量的三倍。 ^[3] 

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

由於α 和β 粒子穿過了原子，通過對偏轉本質的密切研究而形成關於原子結構的某些看法，從而產生觀察到的效應，這是很有可能的。事實上，高速帶電粒子被物質原子散射就是解決這個問題最有希望的方法之一。開發出為單個α 粒子計數的閃爍法就提供了獨特的研究優勢，而 H.Geiger 正是通過這種方法的研究，已經為我們增加了很多關於α射線被物質散射的知識。

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，實驗結果卻成了否定湯姆孫原子模型的有力證據。在此基礎上，盧瑟福提出了原子核式結構模型。

為了要考察原子內部的結構，必須尋找一種能射到原子內部的試探粒子，這種粒子就是從天然放射性物質中放射出的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1是這個實驗裝置的示意圖。

在一個鉛盒裏放有少量的放射性元素釙(Po)，它發出的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粒子穿過金箔後，射到熒光屏上產生一個個的閃光點，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果，整個裝置放在一個抽成真空的容器內，帶有熒光屏的顯微鏡能夠圍繞金箔在一個圓周上移動。 ^[3] 

實驗結果表明，絕大多數α粒子穿過金箔後仍沿原來的方向前進，但有少數α粒子發生了較大的偏轉，並有極少數α粒子的偏轉超過90°，有的甚至幾乎達到180°而被反彈回來，這就是α粒子的散射現象。

發生極少數α粒子的大角度偏轉現象是出乎意料的。根據湯姆孫模型的計算，α粒子穿過金箔後偏離原來方向的角度是很小的，因為電子的質量不到α粒子的1/7400，α粒子碰到它，就像飛行着的子彈碰到一粒塵埃一樣，運動方向不會發生明顯的改變。正電荷又是均勻分佈的，α粒子穿過原子時，它受到原子內部兩側正電荷的斥力大部分相互抵消，α粒子偏轉的力就不會很大。然而事實卻出現了極少數α粒子大角度偏轉的現象。盧瑟福後來回憶説：“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射出一發炮彈，結果被反彈回來而打到自己身上……”盧瑟福對實驗的結果進行了分析，認為只有原子的幾乎全部質量和正電荷都集中在原子中心的一個很小的區域，才有可能出現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構模型，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量都集中在原子核裏，帶負電的電子在核外空間裏繞着核旋轉。

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，只有極少數α粒子可能與核十分接近，受到較大的庫侖斥力，才會發生大角度的偏轉。

根據α粒子散射實驗，可以估算出原子核的直徑約為10^-15米～10^-14米，原子直徑大約是10^-10米，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於原子體積的萬億分之一。

結果：大多數散射角很小，約1/8000散射大於90°； 極個別的散射角等於180°。

結論：正電荷集中在原子中心。

大多數α粒子穿透金箔：原子內有較大空間，而且電子質量很小 ^[2]  。

一小部分α粒子改變路徑：原子內部有一微粒，而且該微粒的體積很小，帶正電。

極少數的α粒子反彈：原子中的微粒體積較小，但質量相對較大。