百科首頁(yè) > 正文

α粒子散射實(shí)驗（證實(shí)湯姆生模型正確性的實(shí)驗）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-22

來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )整理

精選百科

本文由作者推薦

α粒子散射實(shí)驗

證實(shí)湯姆生模型正確性的實(shí)驗

α粒子散射實(shí)驗（Geiger–Marsden experiment(s)）又稱(chēng)金箔實(shí)驗、Geiger-Marsden實(shí)驗或盧瑟福α粒子散射實(shí)驗。是1909年漢斯·蓋革和恩斯特·馬斯登(Jishi.Y)在歐內斯特·盧瑟福指導下于英國曼徹斯特大學(xué)做的一個(gè)著(zhù)名物理實(shí)驗。

基本信息

中文名	α粒子散射實(shí)驗
外文名	Geiger–Marsden experiment(s) 又稱(chēng)Rutherford gold foil experiment
別名	金箔實(shí)驗
類(lèi)型	物理實(shí)驗
實(shí)驗目的	證實(shí)湯姆生原子模型的正確性
時(shí)間	1909年

收起

發(fā)展歷史

實(shí)驗用準直的α射線(xiàn)轟擊厚度為微米的金箔，發(fā)現絕大多數的α粒子都照直穿過(guò)薄金箔，偏轉很小，但有少數α粒子發(fā)生角度比湯姆生模型所預言的大得多的偏轉，大約有

的α粒子偏轉角大于

，甚至觀(guān)察到偏轉角等于

的散射，稱(chēng)大角散射，更無(wú)法用湯姆森模型說(shuō)明。1911年盧瑟福提出原子的有核模型(又稱(chēng)原子的核式結構模型），與正電荷聯(lián)系的質(zhì)量集中在中心形成原子核，電子繞著(zhù)核在核外運動(dòng)，由此導出α粒子散射公式，說(shuō)明了α粒子的大角散射。盧瑟福的散射公式后來(lái)被蓋革和馬斯登改進(jìn)了的實(shí)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，此實(shí)驗開(kāi)創(chuàng )了原子結構研究的先河。這個(gè)實(shí)驗推翻了J.J.湯姆森在1903年提出的原子的葡萄干圓面包模型，認為原子的正電荷和質(zhì)量聯(lián)系在一起均勻連續分布于原子范圍，電子鑲嵌在其中，可以在其平衡位置作微小振動(dòng)，為建立現代原子核理論打下了基礎。

實(shí)驗內容

實(shí)驗理論

釙元素散射實(shí)驗

直線(xiàn)運動(dòng)的α 和β 粒子在碰到物質(zhì)原子時(shí)，運動(dòng)方向會(huì )發(fā)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(dòng)量和能量要小得多。似乎已沒(méi)有疑問(wèn)，如此迅速移動(dòng)的粒子以其原來(lái)的路徑穿過(guò)了原子，而觀(guān)察到的偏轉是由于遍布于原子系統內強電場(chǎng)作用的結果。一般假設，一束α 或β 粒子射線(xiàn)在通過(guò)薄片物質(zhì)時(shí)的散射，是物質(zhì)原子來(lái)回多次小散射的結果。然而，Geiger 和 Marsden 對α射線(xiàn)散射的觀(guān)察顯示，某些α 粒子在單次碰撞時(shí)，一定會(huì )發(fā)生大于正常角度的偏轉。例如，他們發(fā)現，一小部分入射α 粒子，大約 20000 個(gè)中有1 個(gè)，在穿過(guò)厚度約為 0.00004cm的金箔時(shí)平均偏轉了

的角度，如此厚度的金箔阻止α 粒子的能力相當于1.6mm厚度的空氣。Geiger 接著(zhù)指出，一束α 粒子穿過(guò)以上厚度金箔最可能偏轉的角度是

。基于概率理論的一個(gè)簡(jiǎn)單計算表明，粒子偏轉

的機會(huì )是微乎其微的。此外，稍后可以看出，如果這種大角度偏轉是由許多小的偏轉組成，那么，這種大角度偏轉的α 粒子對各種角度的分布并不遵守預期的概率定律。大角度偏轉是由于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(chǎn)生大角度偏轉的概率在大多數情況下是很小的。一個(gè)簡(jiǎn)單的計算顯示，原子必須具有強電場(chǎng)的核心，才能在單次碰撞中產(chǎn)生如此大的偏轉。

約瑟夫約翰湯姆森

J. J. Thomson（湯姆森）提出了一種理論來(lái)解釋帶電粒子在通過(guò)很薄的物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的散射。他假設原子是由帶 N個(gè)負電荷的粒子構成，伴隨著(zhù)相同數量的正電荷，均勻地分布在整個(gè)球內。負電荷粒子（如β 粒子）在穿過(guò)原子時(shí)的偏轉歸結為兩個(gè)原因——（1）分布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(jīng)過(guò)原子時(shí)的偏轉假設是很小的，盡管在與一個(gè)很大質(zhì)量m碰撞后的平均角度為 m θ ? ，其中θ是對于單個(gè)原子的平均偏轉。這表明，原子內部的電子數N可以通過(guò)觀(guān)察帶電離子的散射推斷出來(lái)。這個(gè)混合散射理論的精確性在后來(lái) Crowther 的一篇論文中做了實(shí)驗檢驗。 Crowther 的實(shí)驗結果明顯地確認了Thomson（湯姆森）理論的主要結論，而且 Crowther 基于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。

J. J. Thomson（湯姆森）理論是基于“單次原子碰撞產(chǎn)生的散射是很小的”這個(gè)假設。而且對原子特殊結構的假設也不允許α 粒子在穿過(guò)單個(gè)原子時(shí)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。

由于α 和β 粒子穿過(guò)了原子，通過(guò)對偏轉本質(zhì)的密切研究而形成關(guān)于原子結構的某些看法，從而產(chǎn)生觀(guān)察到的效應，這是很有可能的。事實(shí)上，高速帶電粒子被物質(zhì)原子散射就是解決這個(gè)問(wèn)題最有希望的方法之一。開(kāi)發(fā)出為單個(gè)α 粒子計數的閃爍法就提供了獨特的研究?jì)?yōu)勢，而 H.Geiger 正是通過(guò)這種方法的研究，已經(jīng)為我們增加了很多關(guān)于α射線(xiàn)被物質(zhì)散射的知識。

實(shí)驗目的

盧瑟福從1909年起做了著(zhù)名的α粒子散射實(shí)驗，實(shí)驗的目的是想證實(shí)湯姆孫原子模型的正確性，實(shí)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。

α粒子散射實(shí)驗示意圖

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(zhì)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(lái)進(jìn)行實(shí)驗，如圖是這個(gè)實(shí)驗裝置的示意圖。

在一個(gè)鉛盒里放有少量的放射性元素釙(Po)，它發(fā)出的α射線(xiàn)從鉛盒的小孔射出，形成一束很細的射線(xiàn)射到金箔上。當α粒子穿過(guò)金箔后，射到熒光屏上產(chǎn)生一個(gè)個(gè)的閃光點(diǎn)，這些閃光點(diǎn)可用顯微鏡來(lái)觀(guān)察。為了避免α粒子和空氣中的原子碰撞而影響實(shí)驗結果，整個(gè)裝置放在一個(gè)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(gè)圓周上移動(dòng)。

實(shí)驗結果

實(shí)驗結果表明，絕大多數α粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，但有少數α粒子發(fā)生了較大的偏轉，并有極少數α粒子的偏轉超過(guò)

，有的甚至幾乎達到

而被反彈回來(lái)，這就是α粒子的散射現象。

銅原子結構

發(fā)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(guò)金箔后偏離原來(lái)方向的角度是很小的，因為電子的質(zhì)量不到α粒子的1/7400，α粒子碰到它，就像飛行著(zhù)的子彈碰到一粒塵埃一樣，運動(dòng)方向不會(huì )發(fā)生明顯的改變。正電荷又是均勻分布的，α粒子穿過(guò)原子時(shí)，它受到原子內部?jì)蓚日姾傻某饬Υ蟛糠窒嗷サ窒亮Ｗ悠D的力就不會(huì )很大。然而事實(shí)卻出現了極少數α粒子大角度偏轉的現象。盧瑟福后來(lái)回憶說(shuō)：“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(fā)射出一發(fā)炮彈，結果被反彈回來(lái)而打到自己身上……”盧瑟福對實(shí)驗的結果進(jìn)行了分析，認為只有原子的幾乎全部質(zhì)量和正電荷都集中在原子中心的一個(gè)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(gè)很小的核，叫做原子核(nucleus)，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞著(zhù)核旋轉。

按照這一模型，α粒子穿過(guò)原子時(shí)，電子對α粒子運動(dòng)的影響很小，影響α粒子運動(dòng)的主要是帶正電的原子核。而絕大多數的α粒子穿過(guò)原子時(shí)離核較遠，受到的庫侖斥力很小，運動(dòng)方向幾乎沒(méi)有改變，如圖14-2(b)中的1、3、4、6、7、9，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(huì )發(fā)生大角度的偏轉，如圖14-2(b)中的2，5，8。

根據α粒子散射實(shí)驗，可以估算出原子核的直徑約為

米～

米，原子直徑大約是

，所以原子核的直徑大約是原子直徑的萬(wàn)分之一，原子核的體積只相當于原子體積的萬(wàn)億分之一。

最終結論

結果：大多數散射角很小，約

散射大于

；極個(gè)別的散射角等于

。

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(zhì)量很小。

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(zhì)量相對較大。

α粒子散射實(shí)驗相關(guān)的文章

舌狀花（雙子葉植物綱桔梗目的植物）

舌狀花是菊科植物花的一種，具有舌狀花冠的花，為合瓣花，花冠下部連合成筒狀，上部連合呈扁平舌狀，如同向日葵花序外緣呈花瓣狀黃色的大型花。

洪凌波（小說(shuō)《神雕俠侶》中的角色）

洪凌波，是金庸小說(shuō)《神雕俠侶》中的角色，是赤練仙子李莫愁的嫡傳弟子，陸無(wú)雙的師姊。洪凌波相貌挺美，武功不弱，她長(cháng)期伴隨在師父左右，有時(shí)代師出手殺人，陪同師父一起闖蕩江湖，客觀(guān)上為發(fā)揮古墓派威名起到一定作用。她在一出場(chǎng)奉李莫愁之命來(lái)殺陸氏一門(mén)時(shí)提到她不過(guò)十五六歲年齡，所以應該和小龍女相仿或略小一些，比

gelato（意大利食品）

Gelato是意大利的甜品代表，與冰淇淋相似但有所不同。它選用時(shí)令水果、天然堅果、奶、蛋等原料，甚至制作過(guò)程不再加一滴水，因此更為新鮮、低熱、富有創(chuàng )意。與冰淇淋相比，Gelato更注重原料的質(zhì)量和口感，被奉為冰淇淋的經(jīng)典。冰淇淋源于中國，在元朝時(shí)期已有制作，是以飲用水、牛乳、奶粉、奶油（或植物油脂）

旁遮普省（位于巴基斯坦東部的省份）

旁遮普省（旁遮普語(yǔ)： ?????；烏爾都語(yǔ)： ??????）位于巴基斯坦，是該國人口最多的省份，占全國人口的半數。旁遮普省是旁遮普人的聚居地，首府為拉合爾。該省的主要民族包括旁遮普人和色萊基人，還有從印度回歸的穆斯林穆哈吉爾人。由于印度河的五條支流都流經(jīng)此地，旁遮普省的名稱(chēng)來(lái)源于波斯語(yǔ)的Pa?j，意