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卢瑟福散射实验结论
2012.07.01 15:47

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1912年,卢瑟福根据α粒子散射实验现象提出原子核式结构模型。该实验被物理学界公认为“物理最美实验”之一。本文与大家详细解释下卢瑟福散射实验以及实验结论。

先来说最重要的,也是高中物理常考的知识点:

卢瑟福α粒子散射实验的现象

高中物理课本选修3-5第51页原子的核式结构模型这一章节的重点就是α粒子散射实验现象 ,具体来说包括三个方面:

第一,绝大多数α粒子穿过金箔后几乎沿原方向前进;

第二,少数α粒子穿过金箔后发生了较大偏转;

第三,极少数α粒子击中金箔后几乎沿原方向反回;

散射实验模型及其现象

如上图所示,α粒子轰击金原子,有三条通过,两条偏转,一条被反弹回来。当然,这里的一、二、三只是定性表示多和少。实际在该散射实验的操作中,大概仅有八千分之一α粒子会发生如图中的反弹情况

卢瑟福散射实验结论

此次实验的结论有:

1,原子中带正电的体积很小(对照原子体积来看),几乎占据全部质量(和能量)。

2,电子在正电体外面运动。

正电体被称之为原子核,卢瑟福的原子模型因而被称为核式结构模型。(参考物理教材选修3-5第53页)

卢瑟福散射实验原理图

原子核的电荷与尺寸探究

卢瑟福散射实验给原子研究领域引来了“美味的羊羔”,打开了原子内部研究的“真实”通道。原子核的概念逐渐深入人心,散射实验的结论帮助科学家否定了长期以来的“枣糕状”原子模型;建立了原子的核式结构模型。即:原子中心有个很小的核,叫原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内,带负电的电子绕核做高速的圆周运动。

在α粒子的散射实验以后的继续研究中,物理科学家们还发现这两个结论:

第一,原子核又可分为质子和中子;(原子核的全部正电荷都集中在质子内)质子的质量约等于中子的质量;

第二,质子数等于原子的核电荷数(Z);质子数加中子数等于质量数(A);在这里王尚提醒大家以上的两个结论,并不是α粒子的散射实验的分析结论,而是后期学者研究结论。

欧内斯特·卢瑟福简介

卢瑟福被公认为是二十世纪最伟大的实验物理研究学家,在放射性和原子结构等方面,都做出了重大的贡献。他是最先研究核物理的人。除了理论上非常重要以外,他的发现还在很大范围内有重要的应用,如核电站、放射标志物以及运用放射性测定年代。

卢瑟福还是一位杰出的学科带头人,被誉为“从来没有树立过一个敌人,也从来没有失去一位朋友”的人。当人们评论卢瑟福的成就时,总要提到他“桃李满天下”。在他的助手和学生中,先后荣获诺贝尔奖的竟多达12人。

1912年度诺贝尔物理学奖的获得者玻尔曾深情地称卢瑟福是“我的第二个父亲”。科学界中,至今还传颂着许多卢瑟福精心培养学生的小故事。他被称为近代原子核物理学之父。他对世界的影响力极其重要,并正在增长,其影响还将持久保持下去。

汤姆孙的“枣糕模型”

汤姆孙在卡文迪什实验室发现了电子之后,并没有丝毫的满足。一个更重要的问题在他的脑海里盘旋:既然阴极原子会放出大量的电子,那么,这些电子在物质的原子结构中一定扮演了一个很重要的角色。这种想法在当时可算得上是一种创见,因为按照传统的观点,原子是一个坚硬的实心小球,它里面未必会有什么新鲜玩艺儿。

1904年,汤姆孙根据自己的实验结果,又借鉴了别的科学家的研究成果,给原子王国描绘了这样一幅图象:原子是一个小小的球体,原子里面充满了均匀分布的带正电的流体。球内还有若干个电子,它们都在这种正电荷液体中,就象许多软木塞浸在一盆水里一样,这些电子等间隔地排列在与正电球同心的圆周上,并以一定的速度做圆周运动从而发出电磁辐射,原子光谱所反映的就是这些电子的辐射频率。由于电子所带负电荷的总和与电液体所带正电荷总和相等,但符号相反,所以原子从外面看上去是中性的.在汤姆孙提出的这种原子模型中,电子镶嵌在正电荷液体中,就象葡萄干点缀在一块蛋糕里一样,所以又被人们称为“葡萄干蛋糕模型”。

从经典物理学的角度看,汤姆孙的模型是很成功的。它不仅能解释原子为什么是电中性的,电子在原子里是怎样分布的,而且还能解释原子为什么会发光。此外,从汤姆孙模型出发,还能估计出原子的大小约为一亿分之一(10-8)厘米,这也是一项惊人的成就。并且,汤姆孙还得出一个结论:原子中电子的数目等于门捷列夫元素周期表中的原子序数,这个结论是正确的。因此,在一段时间里,汤姆孙的原子模型得到了广泛的承认。现在,展现在人们面前的原子既不是一个虚无缥缈的世界,也不是一个简简单单的实心小球。原子是有质量(尽管很轻)、有大小 (尽管很小)、有内部结构的东西了。

汤姆逊原子模型不能解释α粒子散射,卢瑟福经过仔细的计算和比较,发现只有假设正电荷都集中在一个很小的区域内,α粒子穿过单个原子时,才有可能发生大角度的散射。也就是说,原子的正电荷必须集中在原子中心的一个很小的核内。在这个假设的基础上,卢瑟福进一步计算了α散射时的一些规律,并且作了一些推论。这些推论很快就被盖革和马斯登的一系列漂亮的实验所证实。卢瑟福提出的原子模型像一个太阳系,带正电的原子核像太阳,带负电的电子像绕着太阳转的行星。在这个“太阳系”,支配它们之间的作用力是电磁相互作用力。他解释说,原子中带正电的物质集中在一个很小的核心上,而且原子质量的绝大部分也集中在这个很小的核心上。当α粒子正对着原子核心射来时,就有可能被反弹回去。这就圆满地解释了α粒子的大角度散射。卢瑟福发表了一篇著名的论文《物质对α和β粒子的散射及原理结构》。

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