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盧瑟福原子模型
1911年英國盧瑟福提出的模型
基本信息
| 中文名 | 盧瑟福原子模型 |
| 外文名 | Rutherford atomic model |
| 別名 | 原子太陽(yáng)系模型 原子行星模型 |
| 類(lèi)型 | 關(guān)于原子結構的一種模型 |
| 提出者 | |
| 提出時(shí)間 | 1911年 |
收起
建立過(guò)程
理論發(fā)現
英國物理學(xué)家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）1895年來(lái)到英國卡文迪許實(shí)驗室，跟隨湯姆遜學(xué)習，成為湯姆遜第一位來(lái)自海外的研究生。盧瑟福好學(xué)勤奮，在湯姆遜的指導下，盧瑟福在做他的第一個(gè)實(shí)驗——放射性吸收實(shí)驗時(shí)發(fā)現了α射線(xiàn)。
盧瑟福設計的巧妙的實(shí)驗，他把鈾、鐳等放射性元素放在一個(gè)鉛制的容器里，在鉛容器上只留一個(gè)小孔。由于鉛能擋住放射線(xiàn)，所以只有一小部分射線(xiàn)從小孔中射出來(lái)，成一束很窄的放射線(xiàn)。盧瑟福在放射線(xiàn)束附近放了一塊很強的磁鐵，結果發(fā)現有一種射線(xiàn)不受磁鐵的影響，保持直線(xiàn)行進(jìn)。第二種射線(xiàn)受磁鐵的影響，偏向一邊，但偏轉得不厲害。第三種射線(xiàn)偏轉得很厲害。
實(shí)驗驗證
盧瑟福在放射線(xiàn)的前進(jìn)方向放不同厚度的材料，觀(guān)察射線(xiàn)被吸收的情況。第一種射線(xiàn)不受磁場(chǎng)的影響，說(shuō)明它是不帶電的，而且有很強的穿透力，一般的材料如紙、木片之類(lèi)的東西都擋不住射線(xiàn)的前進(jìn)，只有比較厚的鉛板才可以把它完全擋住，稱(chēng)為γ射線(xiàn)。第二種射線(xiàn)會(huì )受到磁場(chǎng)的影響而偏向一邊，從磁場(chǎng)的方向可判斷出這種射線(xiàn)是帶正電的，這種射線(xiàn)的穿透力很弱，只要用一張紙就可以完全擋住它。這就是盧瑟福發(fā)現的α射線(xiàn)。第三種射線(xiàn)由偏轉方向斷定是帶負電的，性質(zhì)同快速運動(dòng)的電子一樣，稱(chēng)為β射線(xiàn)。盧瑟福對他自己發(fā)現的α射線(xiàn)特別感興趣。他經(jīng)過(guò)深入細致的研究后指出，α射線(xiàn)是帶正電的粒子流，這些粒子是氦原子的離子，即少掉兩個(gè)電子的氦原子。
“計數管”是來(lái)自德國的學(xué)生漢斯·蓋革（Hans Geiger，1882-1945)）發(fā)明的，可用來(lái)測量肉眼看不見(jiàn)的帶電微粒。當帶電微粒穿過(guò)計數管時(shí)，計數管就發(fā)出一個(gè)電訊號，將這個(gè)電訊號連到報警器上，儀器就會(huì )發(fā)出“咔嚓”一響，指示燈也會(huì )亮一下。看不見(jiàn)摸不著(zhù)的射線(xiàn)就可以用非常簡(jiǎn)單的儀器記錄測量了。人們把這個(gè)儀器稱(chēng)為蓋革計數管。藉助于蓋革計數管，盧瑟福所領(lǐng)導的曼徹斯特實(shí)驗室對α粒子性質(zhì)的研究得到了迅速的發(fā)展。
1910年馬斯登（E.Marsden，1889-1970）來(lái)到曼徹斯特大學(xué)，盧瑟福讓他用α粒子去轟擊金箔，做練習實(shí)驗，利用熒光屏記錄那些穿過(guò)金箔的α粒子。按照湯姆遜的葡萄干蛋糕模型，質(zhì)量微小的電子分布在均勻的帶正電的物質(zhì)中，而α粒子是失去兩個(gè)電子的氦原子，它的質(zhì)量約為電子質(zhì)量的7300倍。當這樣一顆重型炮彈轟擊原子時(shí)，小小的電子是抵擋不住的。而金原子中的正物質(zhì)均勻分布在整個(gè)原子體積中，也不可能抵擋住α粒子的轟擊。也就是說(shuō)，α粒子將很容易地穿過(guò)金箔，即使受到一點(diǎn)阻擋的話(huà)，也僅僅是α粒子穿過(guò)金箔后稍微改變一下前進(jìn)的方向而已。這類(lèi)實(shí)驗，盧瑟福和蓋革已經(jīng)做過(guò)多次，他們的觀(guān)測結果和湯姆遜的葡萄干蛋糕模型符合得很好。α粒子受金原子的影響稍微改變了方向，它的散射角度極小。
馬斯登和蓋革又重復著(zhù)這個(gè)已經(jīng)做過(guò)多次的實(shí)驗，奇跡出現了！他們不僅觀(guān)察到了散射的α粒子，而且觀(guān)察到了被金箔反射回來(lái)的α粒子。在盧瑟福晚年的一次演講中曾描述過(guò)當時(shí)的情景，他說(shuō)：“我記得兩三天后，蓋革非常激動(dòng)地來(lái)到我這里，說(shuō)：‘我們得到了一些反射回來(lái)的α粒子......’，這是我一生中最不可思議的事件。這就像你對著(zhù)卷煙紙射出一顆15英寸的炮彈，卻被反射回來(lái)的炮彈擊中一樣地不可思議。經(jīng)過(guò)思考之后，我認識到這種反向散射只能是單次碰撞的結果。經(jīng)過(guò)計算我看到，如果不考慮原子質(zhì)量絕大部分都集中在一個(gè)很小的核中，那是不可能得到這個(gè)數量級的。”
建立
盧瑟福所說(shuō)的“經(jīng)過(guò)思考以后”，不是思考一天、二天，而是思考了整整一、二年的時(shí)間。在做了大量的實(shí)驗和理論計算和深思熟慮后，他才大膽地提出了有核原子模型，推翻了他的老師湯姆遜的實(shí)心帶電球原子模型。
盧瑟福檢驗了在他學(xué)生的實(shí)驗中反射回來(lái)的確是α粒子后，又仔細地測量了反射回來(lái)的α粒子的總數。測量表明，在他們的實(shí)驗條件下，每入射約八千個(gè)α粒子就有一個(gè)α粒子被反射回來(lái)。用湯姆遜的實(shí)心帶電球原子模型和帶電粒子的散射理論只能解釋α粒子的小角散射，但對大角度散射無(wú)法解釋。多次散射可以得到大角度的散射，但計算結果表明，多次散射的幾率極其微小，和上述八千個(gè)α粒子就有一個(gè)反射回來(lái)的觀(guān)察結果相差太遠。
湯姆遜原子模型不能解釋α粒子散射，盧瑟福經(jīng)過(guò)仔細的計算和比較，發(fā)現只有假設正電荷都集中在一個(gè)很小的區域內，α粒子穿過(guò)單個(gè)原子時(shí)，才有可能發(fā)生大角度的散射。也就是說(shuō)，原子的正電荷必須集中在原子中心的一個(gè)很小的核內。在這個(gè)假設的基礎上，盧瑟福進(jìn)一步計算了α散射時(shí)的一些規律，并且作了一些推論。這些推論很快就被蓋革和馬斯登的一系列漂亮的實(shí)驗所證實(shí)。
現實(shí)意義
盧瑟福的理論開(kāi)拓了研究原子結構的新途徑，為原子科學(xué)的發(fā)展立下了不朽的功勛。然而，在當時(shí)很長(cháng)的一段時(shí)間內，盧瑟福的理論遭到物理學(xué)家們的冷遇。盧瑟福原子模型存在的致命弱點(diǎn)是正負電荷之間的電場(chǎng)力無(wú)法滿(mǎn)足穩定性的要求，即無(wú)法解釋電子是如何穩定地待在核外。1904年長(cháng)崗半太郎提出的土星模型就是因為無(wú)法克服穩定性的困難而未獲成功。因此，當盧瑟福又提出有核原子模型時(shí)，很多科學(xué)家都把它看作是一種猜想，或者是形形色色的模型中的一種而已，而忽視了盧瑟福提出模型所依據的堅實(shí)的實(shí)驗基礎。
盧瑟福具有非凡的洞察力，因而常常能夠抓住本質(zhì)作出科學(xué)的預見(jiàn)。同時(shí)，他又有十分嚴謹的科學(xué)態(tài)度，他從實(shí)驗事實(shí)出發(fā)作出應該作出的結論。盧瑟福認為自己提出的模型還很不完善，有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。他在論文的一開(kāi)頭就聲明：“在現階段，不必考慮所提原子的穩定性，因為顯然這將取決于原子的細微結構和帶電組成部分的運動(dòng)。”當年他在給朋友的信中也說(shuō)：“希望在一、二年內能對原子構造說(shuō)出一些更明確的見(jiàn)解。”
簡(jiǎn)介
生平簡(jiǎn)介
1871年8月30日生于新西蘭納爾遜的一個(gè)手工業(yè)工人家庭。并在新西蘭長(cháng)大。他進(jìn)入新西蘭的坎特伯雷學(xué)院學(xué)習。23歲時(shí)獲得了三個(gè)學(xué)位（文學(xué)學(xué)士、文學(xué)碩士、理學(xué)學(xué)士）。1895年在新西蘭大學(xué)畢業(yè)后，獲得英國劍橋大學(xué)的獎學(xué)金進(jìn)入卡文迪許實(shí)驗室，成為湯姆孫的研究生。提出了原子結構的行星模型，為原子結構的研究做出很大的貢獻。1898年，在湯姆孫的推薦下，擔任加拿大麥吉爾大學(xué)的物理教授。他在那兒呆了9年。于1907年返回英國出任曼徹斯特大學(xué)的物理系主任。1919年接替退休的湯姆孫，擔任卡文迪許實(shí)驗室主任。1925年當選為英國皇家學(xué)會(huì )主席。1931年受封為納爾遜男爵，1937年10月19日因病在劍橋逝世，與牛頓和法拉第并排安葬，享年66歲。
科學(xué)成就
1、他關(guān)于放射性的研究確立了放射性是發(fā)自原子內部的變化。放射性能使一種原子改變成另一種原子，而這是一般物理和化學(xué)變化所達不到的；這一發(fā)現打破了元素不會(huì )變化的傳統觀(guān)念，使人們對物質(zhì)結構的研究進(jìn)入到原子內部這一新的層次，為開(kāi)辟一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域——原子物理學(xué)，做了開(kāi)創(chuàng )性的工作。
3、質(zhì)子的發(fā)現 1919年，盧瑟福做了用α粒子轟擊氮核的實(shí)驗。他從氮核中打出的一種粒子，并測定了它的電荷與質(zhì)量，它的電荷量為一個(gè)單位，質(zhì)量也為一個(gè)單位，盧瑟福將之命名為質(zhì)子。
4、他通過(guò)α粒子為物質(zhì)所散射的研究，無(wú)可辯駁的論證了原子的核模型，因而一舉把原子結構的研究引上了正確的軌道，于是他被譽(yù)為原子物理學(xué)之父。由于電子軌道也就是原子結構的穩定性和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的矛盾，才導致玻爾提出背離經(jīng)典物理學(xué)的革命性的量子假設，成為量子力學(xué)的先驅。 5、人工核反應的實(shí)現是盧瑟福的另一項重大貢獻。自從元素的放射性衰變被確證以后，人們一直試圖用各種手段，如用電弧放電，來(lái)實(shí)現元素的人工衰變，而只有盧瑟福找到了實(shí)現這種衰變的正確途徑。這種用粒子或γ射線(xiàn)轟擊原子核來(lái)引起核反應的方法，很快就成為人們研究原子核和應用核技術(shù)的重要手段。在盧瑟福的晚年，他已能在實(shí)驗室中用人工加速的粒子來(lái)引起核反應。
桃李滿(mǎn)天下
當人們評論盧瑟福的成就時(shí)，總要提到他“桃李滿(mǎn)天下”。在盧瑟福的悉心培養下，他的學(xué)生和助手有多人獲得了諾貝爾獎金： 1921年，盧瑟福的助手索迪獲諾貝爾化學(xué)獎； 1922年，盧瑟福的學(xué)生阿斯頓獲諾貝爾化學(xué)獎；
趣聞軼事
1、有個(gè)外號叫“鱷魚(yú)”
盧瑟福從小家境貧寒，通過(guò)自己的刻苦努力，這個(gè)窮孩子完成了他的學(xué)業(yè)。這段艱苦求學(xué)的經(jīng)歷培養了盧瑟福一種認準了目標就百折不回勇往直前的精神。后來(lái)學(xué)生為他起了一個(gè)外號——鱷魚(yú)，并把鱷魚(yú)徽章裝飾在他的實(shí)驗室門(mén)口。因為鱷魚(yú)從不回頭，他張開(kāi)吞食一切的大口，不斷前進(jìn)。
2、搖身一變成為“化學(xué)家”
1908年，盧瑟福獲得該年度的諾貝爾化學(xué)獎，他對自己不是獲得物理學(xué)獎感到有些意外，他風(fēng)趣地說(shuō)：“我竟搖身一變，成為一位化學(xué)家了。”“這是我一生中絕妙的一次玩笑！”
3、杰出的學(xué)科帶頭人
盧瑟福還是一位杰出的學(xué)科帶頭人，被譽(yù)為“從來(lái)沒(méi)有樹(shù)立過(guò)一個(gè)敵人，也從來(lái)沒(méi)有失去一位朋友”的人。在他的助手和學(xué)生中，先后榮獲諾貝爾獎的竟多達12人。1912年度諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者玻爾曾深情地稱(chēng)盧瑟福是“我的第二個(gè)父親”。科學(xué)界中，至今還傳頌著(zhù)許多盧瑟福精心培養學(xué)生的小故事。
4、是我制造了波浪
盧瑟福屬于那種“性格極為外露”的人，他總是給那些見(jiàn)過(guò)他的人留下深刻的印象。他個(gè)子很高，聲音洪亮，精力充沛，信心十足，并且極不謙虛。當他的同事評論他有不可思議的能力并總是處在科學(xué)研究的“浪尖”上時(shí)，他迅速回答道：“說(shuō)的很對，為什么不這樣？不管怎么說(shuō)，是我制造了波浪，難道不是嗎？”幾乎所有的科學(xué)家都同意這一評價(jià)。
5、最后一個(gè)土豆
1895年，在農場(chǎng)挖土豆的盧瑟福收到了英國劍橋大學(xué)發(fā)來(lái)的通知書(shū)，通知他已被錄取為倫敦國際博覽會(huì )的獎學(xué)金生。盧瑟福接到通知書(shū)后扔掉挖土豆的鋤頭喊道：“這是我挖的最后一個(gè)土豆啦！”
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