[科普中国]-卢瑟福散射

实验历程粒子轰击金箔实验

1909至1911年，英国物理学家卢瑟福（1871～1937）和他的合作者们做了以粒子轰击金箔的实验，实验做法如下：

在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋，它发出的α粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线射到金箔上。α粒子穿过金箔后，打到荧光屏上产生一个个的闪光，这些闪光可以用显微镜观察到。整个装置放在一个抽成真空的容器里，荧光屏和显微镜能够围绕金箔在一个圆周上转动。

根据汤姆逊模型计算的结果，α粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的。因为电子的质量很小，不到α粒子的七千分之一，α粒于碰到它，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；而正电荷又是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到的原子内部两侧正电荷的斥力相当大一部分互相抵消，使α粒于偏转的力不会很大。

实验结果然而实验却得到了出乎意料的结果。绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数以粒子却发生了较大的偏转，并且有极少数粒子偏转角超过了90度，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180度。这种现象叫做α粒子的散射。实验中产生的粒子大角度散射现象，使卢瑟福感到惊奇，因为这需要有很强的相互作用力，除非原子的大部分质量和电荷集中到一个很小的核上，否则大角度的散射是不可能的。

大角散射不能用偶然性的小角度散射累积的结果来解释，因而用当时流行的汤姆孙原子模型解释不通． 卢瑟福曾说过，这是他一生中遇到的最令人惊讶的事件，“它几乎就像发射出一发 15 英寸的炮弹，打 在 一 张 薄 纸 上，又 被 弹 回 来 打 中 了 一样。

提出假说卢瑟福反复思考，整整 18 个月一直分析考虑这一惊人的结果． 1910 年 12 月初，卢瑟福得到了他的重要结论． 盖革回忆说，“一天，卢瑟福兴冲冲地来到我的实验室，告诉我他现在知道了原子看起来像什么，以及如何解释这些 α 粒子的大角度偏转． 就在同一天，我开始进行卢瑟福期待的散射粒子和散射角关系的实验”。

为了解释这个实验结果，卢瑟福在1911年提出了如下的原子核式结构学说：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，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。原子核所带的单位正电荷数等于核外的电子数，所以整个原子是中性的。电子绕核旋转所需的向心力就是核对它的库仑引力。
卢瑟福向人们描绘的原子世界，有些像太阳系里行星围绕太阳旋转一样，电子围绕着原子核不停的旋转。

1911 年 5 月，卢瑟福发表了“物质对 α 和 β 粒子的散射和原子结构”一文，对原子的核式结构作了完整的说明。 他给出的公式中，α 粒子落在偏转角为 Φ（Φ方位见参照文献绘制的图2 ，其中 CD 为散射箔，O 为入射点，OA 为入射 α 粒子的方向，OB 为散射 α 粒子的方向)的单位面积内的粒子数正比于1）csc∧4(Φ/2)；2) 散射箔材料的厚度 t(厚度 t 不大) ；3)散射箔材料原子的中心电荷 Ne的平方；4）入射的 α 粒子速度 u 的 －4 次方1

后期验证盖革对此先作了初步测试，证明实验是有前途的． 已到伦敦大学工作的马斯登应邀回来承担这一任务． 马斯登和盖革进行了为期一年不间断的艰苦测试，1912 年 7 月完成了这一工作． 他们在论文开头明确指出:“我们观察的所有结果与卢瑟福教授的理论推导吻合得很好，为他提出的原子有一个带强电荷的，其大小与原子直径相比小得多的中心假定的正确性提供了强有力的证据。”

他们所用的实验装置如图 3，主要包括一个坚固的圆筒状金属盒 B，放射源 R 通过小孔 D 发出的 α 粒子束打在散射箔 F 上，显微镜M 上装着硫化锌屏 S，散射的 α 粒子打在 S 屏上发出闪烁，可从显微镜 M 中观察到． 金属盒 B 下面与带刻度的圆盘 A 固定在一起;圆盘 A 可以借助密封空气的锥形接口 C 绕轴线旋转，这时金属盒和显微镜随之转动，而散射箔和放射源不动，它们连接在管子 T 上，与支架 L 固定在一起，金属盒 B 的上端面用磨砂玻璃板 P 密封着，可以通过管子 T 抽真空1。

应用现今，应用这些年累积的散射原理与技术，卢瑟福背散射谱学能够侦侧半导体内的重金属杂质。实际上，这技术也是第一个在月球使用的实地分析技术。在勘察者任务（surveyor mission）降落于月球表面后，卢瑟福背散射谱学实验被用来收集地质资料。