α粒子散射实验面面观_物理学家-查字典物理网

1、什么叫散射实验？

用各种粒子——X射线、电子和α粒子轰击很薄的物质层，通过观察这些粒子穿过物质层后的偏转情况，获得原子结构的信息，这种实验叫做散射实验。

2、为什么用α粒子散射实验研究原子结构

原子结构无法直接观察到，要用高速离子进行轰击，根据粒子的散射情况分析判断原子的结构，而α粒子有足够能量，可以穿过原子，并且利用荧光作用可观察α粒子的散射情况，所以选取α粒子进行散射实验。α粒子是从放射性物质（如铀和镭）中发射出来的粒子，带两个单位正电荷，质量为氢原子的4倍实际是氦原子核，射出时的速度的为光速的1/10，α粒子的电离作用很强，因此在空气中只能前进几厘米。另外，由于α粒子射出速度大，具有足够的能量，α粒子还能使荧光物质发光。

在19世纪末，物理学上爆出了震惊科学界的“三大发现”：1895年，德国物理学家伦琴（1845～1923)发现了X射线，法国物理学家贝克勒尔(1852～1908)发现了天然放射性；1897年，英国物理学家汤姆逊(1856～1940)发现了电子。这些伟大的发现激励了卢瑟福，使他决心对原子结构进行深入研究。1898年，卢瑟福发现镭发出的射线受到磁场作用时至少分成两个组成部分。他把偏转幅度小的带正电的部分叫做α射线，把偏转幅度大的带负电的部分叫做β射线。1900年，法国化学家维拉德(Villard)又发现铀的射线中还有在磁场中不偏转，且穿透力很强γ射线。1903年，卢瑟福发现α射线的能量比β和γ射线的大99倍左右，1906年他又发现α射线通过云母片时，出现了偏转2°的小角度散射现象。1908年6月，卢瑟福的助手盖革(H．Geiger)发现a射线的散射角与靶材料的原子量成正比。同年10月，布拉格写信给卢瑟福，告诉他用α粒子轰击原子时发生了α粒子急转弯的现象。这些现象促使卢瑟福和盖革决定用重金属靶进行散射实验。1909年3月，卢瑟福向正在实验的马斯登提出“看一看你是否能够得到从金属表面直接反射α粒子的效应?”结果。

3、实验方法的设计原理和设计思想

在真空环境中，使放射性元素钋放射出的α粒子轰击金箔，然后通过显微镜观测用荧光屏（硫化锌屏）接收到的α粒子，借助于对轰击金箔前后的α粒子的运动情况的分析和对比，进而了解金原子的结构情况。与某一金原子发生作用前后的α粒子运动情况的差异，必然带有金原子结构特征的烙印，而这正是α粒子散射实验的设计思想。实验要求在真空环境中进行，是为了避免气体分子对α粒子的运动产生影响，原因主要是由于α粒子的电离作用，若在空气中由于电离α粒子只能前进几厘米。

4、为什么α粒子的散射实验用的是金箔？能否用轻金属?

为了尽可能确切地研究轰击粒子与靶原子间的单个碰撞，希望靶越薄越好，否则多次碰撞将掩盖单次碰撞产生的效应。金的优点主要有五个方面：一是金是重金属；二是金的延展性强，容易做成厚为1μm的薄片，以使绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进；三是金的化学性质稳定，不易与荧光粉发生化学反应；四是金的原子序数大，带的正电荷就多，对α粒子的库仑斥力大，α粒子与其碰撞后的散射角也就很大；五是α粒子的散射角与靶材料的原子量成正比，金的原子量大，当α粒子与其碰撞时，α粒子的运动状态改变明显。

5、卢瑟福在α粒子散射实验中是怎样获得α粒子散射的精确数据的？

在α粒子散射实验中，卢瑟福是采用“闪烁法”来观测α粒子的散射情况的。但在实际观测中，要想把打到硫化锌屏上的α粒子所引起的闪烁一个不漏地精确地统计出来，并不是一件轻而易举的事情。造成困难的因素主要有：（1）单位时间内α粒子打到屏上引起的闪烁次数太多（每分钟可多达90至100次）；（2）α粒子依次打到屏上引起闪烁的时间间隔的不确定所造成计数节奏的变化影响到计数的准确性。卢瑟福采用的具体做法包括：（1）训练和挑选优秀的观测者。卢瑟福让他的研究生先跟着查德威克从事六周关于α粒子实验及观测的训练课，然后从中挑选出眼睛好，能在紧张的工作中集中注意力并保持宁静的优秀的观测者；（2）观测前对观测者作必要的心理、生理的调节。观测工作一般被安排在固定的时间内进行，每周两次，从下午4点到6点，观测者进入光线微弱的实验室后的第一件事情是品茶聊天，放松情绪，并让眼睛适应观测环境；（3）利用观测者间的差异来提高对闪烁数的统计精度。让两个人同时观测一个硫化锌屏，由于两个人的观测效率（统计数与实际闪烁数之比）各异，分别为η1和η2，于是计数时由两个人用按电键的方式传来的信号就有三种，分别统计出从第一个观测者传来的计数n1，从第二个观测者传来的计数n2和从两个观测者同时传来的计数n12，它们分别为n1=η1n，n2=η2n，n12=η1η2n。由此可以得到实际闪烁数为n=n1n2∕n12，这样的方法使得观测的精度大大地提高。卢瑟福正是在这种方法下所获得的精确数据的基础上，做出了原子核式结构的论断。

6、为什么从α粒子的散射现象中就可以概括出原子的核式结构？

α粒子散射实验的现象是沿不同散射角度的方向上均观察到散射的α粒子，但数量不同，如图所示为α粒子的全面散射路径。可把这些散射的α粒子分为三类：（1）绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向运动；（2）少数α粒子发生了较大角度的偏转；（3）极少数α粒子的偏转角度超过了90°，有的甚至达到180°。对实验现象的解释：首先，由于α粒子的质量是电子质量的7000多倍，电子是不可能使α粒子发生大角度偏转的；其次，若原子中带正电的物质按照汤姆生的原子模型均匀分布，那么在α粒子穿过原子时，其散射的情况对所有的α粒子来说应大致相同，因为均匀分布在α粒子两侧的带正电的物质对α粒子的库仑斥力大部分将会相互抵消，因而不可能使α粒子获得较大的偏转力。而“绝大多数”、“少数”和所谓的“极少数”这三部分α粒子在散射过程中的行为的差异，则充分地说明原子中的那部分带正电的物质必须高度地集中在一个很小的区域内，即原子应具有核式结构的特征。在1925年的一次讲演中曾讲到1909年3月这次实验后的心情。他说：“如果将一张金叶放一束α射线的径迹上，某些射线进入金的原子并被散射，那只是所期望的。但是，一种明显而未料想到的观察是一些快速的α粒子的速度和能量之大，那是一张极其惊人的结果。正好像一个炮手将一颗炮强射在一张纸上，而由于某种其他原因弹头再弹回来一样”。

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