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α粒子散射实验

α粒子散射实验(a-particle scattering experiment)又称金箔实验、Geiger-Marsden实验或卢瑟福α粒子散射实验引。是1909年 汉斯盖革和恩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物理实验。

实验用准直的α射线轰击厚度为微米的金箔,发现绝大多数的α粒子都照直穿过薄金箔,偏转很小,但有少数α粒子发生角度比汤姆生模型所预言的大得多的偏转,大约有1/8000 的α粒子偏转角大于90°,甚至观察到偏转角等于150°的散射,称大角散射,更无法用汤姆森模型说明。1911年卢瑟福提出原子的有核模型(又称原子的核式结构模型),与正电荷联系的质量集中在中心形成原子核,电子绕着核在核外运动,由此导出α粒子散射公式,说明了α粒子的大角散射。卢瑟福的散射公式后来被盖革和马斯登改进了的实验系统地验证。根据大角散射的数据可得出原子核的半径上限为

直线运动的α 和β 粒子在碰到物质原子时,运动方向会发生偏转。β 粒子的散射数目要比α 粒子更多,因为β 粒子的动量和能量要小得多。似乎已没有疑问,如此迅速移动的粒子以其原来的路径穿过了原子,而观察到的偏转是由于遍布于原子系统内强电场作用的结果。一般假设,一束α 或β 粒子射线在通过薄片物质时的散射,是物质原子来回多次小散射的结果。然而,Geiger 和 Marsden 对α射线散射的观察显示,某些α 粒子在单次碰撞时,一定会发生大于正常角度的偏转。例如,他们发现,一小部分入射α 粒子,大约 20000 个中有1 个,在穿过厚度约为 0.00004cm的金箔时平均偏转了 90°的角度,如此厚度的金箔阻止α 粒子的能力相当于1.6mm厚度的空气。Geiger 接着指出,一束α 粒子穿过以上厚度金箔最可能偏转的角度是 0.87°。基于概率理论的一个简单计算表明,粒子偏转 90°的机会是微乎其微的。此外,稍后可以看出,如果这种大角度偏转是由许多小的偏转组成,那么,这种大角度偏转的α 粒子对各种角度的分布并不遵守预期的概率定律。大角度偏转是由于单次原子碰撞的设想似乎是有道理的,因为第二次同样碰撞而产生大角度偏转的概率在大多数情况下是很小的。一个简单的计算显示,原子必须具有强电场的核心,才能在单次碰撞中产生如此大的偏转。

J. J. Thomson(汤姆森)提出了一种理论来解释带电粒子在通过很薄的物质时产生的散射。他假设原子是由带 N个负电荷的粒子构成,伴随着相同数量的正电荷,均匀地分布在整个球内。负电荷粒子(如β 粒子)在穿过原子时的偏转归结为两个原因(1)分布在原子内负电荷的斥力, (2)原子内正电荷的吸引力。粒子在经过原子时的偏转假设是很小的,尽管在与一个很大质量m碰撞后的平均角度为 m θ , 其中θ是对于单个原子的平均偏转。这表明,原子内部的电子数N可以通过观察带电离子的散射推断出来。这个混合散射理论的精确性在后来 Crowther 的一篇论文中做了实验检验。 Crowther 的实验结果明显地确认了Thomson(汤姆森)理论的主要结论,而且 Crowther 基于正电荷的连续性假设推导出,原子中的电子数大约是原子重量的三倍。

J. J. Thomson(汤姆森)理论是基于“单次原子碰撞产生的散射是很小的”这个假设。而且对原子特殊结构的假设也不允许α 粒子在穿过单个原子时有很大的偏转,除非假设正电荷球的直径与原子球的直径相比是极小的。

由于α 和β 粒子穿过了原子,通过对偏转本质的密切研究而形成关于原子结构的某些看法,从而产生观察到的效应,这是很有可能的。事实上,高速带电粒子被物质原子散射就是解决这个问题最有希望的方法之一。开发出为单个α 粒子计数的闪烁法就提供了独特的研究优势,而 H.Geiger 正是通过这种方法的研究,已经为我们增加了很多关于α射线被物质散射的知识。

卢瑟福从1909年起做了著名的α粒子散射实验,实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性,实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据。在此基础上,卢瑟福提出了原子核式结构模型。

为了要考察原子内部的结构,必须寻找一种能射到原子内部的试探粒子,这种粒子就是从天然放射性物质中放射出的α粒子。卢瑟福和他的助手用α粒子轰击金箔来进行实验,如图是这个实验装置的示意图。

在一个铅盒里放有少量的放射性元素钋(Po),它发出的α射线从铅盒的小孔射出,形成一束很细的射线射到金箔上。当α粒子穿过金箔后,射到荧光屏上产生一个个的闪光点,这些闪光点可用显微镜来观察。为了避免α粒子和空气中的原子碰撞而影响实验结果,整个装置放在一个抽成真空的容器内,带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动。

实验结果表明,绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,但有少数α粒子发生了较大的偏转,并有极少数α粒子的偏转超过90°,有的甚至几乎达到180°而被反弹回来,这就是α粒子的散射现象。

发生极少数α粒子的大角度偏转现象是出乎意料的。根据汤姆孙模型的计算,α粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的,因为电子的质量不到α粒子的1/7400,α粒子碰到它,就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样,运动方向不会发生明显的改变。正电荷又是均匀分布的,α粒子穿过原子时,它受到原子内部两侧正电荷的斥力大部分相互抵消,α粒子偏转的力就不会很大。然而事实却出现了极少数α粒子大角度偏转的现象。卢瑟福后来回忆说:“这是我一生中从未有的最难以置信的事,它好比你对一张纸发射出一发炮弹,结果被反弹回来而打到自己身上……”卢瑟福对实验的结果进行了分析,认为只有原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的区域,才有可能出现α粒子的大角度散射。由此,卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构模型,认为在原子的中心有一个很小的核,叫做原子核(nucleus),原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。

按照这一模型,α粒子穿过原子时,电子对α粒子运动的影响很小,影响α粒子运动的主要是带正电的原子核。而绝大多数的α粒子穿过原子时离核较远,受到的库仑斥力很小,运动方向几乎没有改变,如图14-2(b)中的1、3、4、6、7、9,只有极少数α粒子可能与核十分接近,受到较大的库仑斥力,才会发生大角度的偏转,如图14-2(b)中的2,5,8。

根据α粒子散射实验,可以估算出原子核的直径约为10-15皮米~10-14皮米,原子直径大约是10-10皮米,所以原子核的直径大约是原子直径的万分之一,原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一。

结果:大多数散射角很小,约1/8000散射大于90°; 极个别的散射角等于180°。

结论:正电荷集中在原子中心。

大多数α粒子穿透金箔:原子内有较大空间,而且电子质量很小 。

一小部分α粒子改变路径:原子内部有一微粒,而且该微粒的体积很小,带正电。

极少数的α粒子反弹:原子中的微粒体积较小,但质量相对较大。


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