为什么卢瑟福的粒子的散射实验最终能得出核式结构模型
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发布时间：2024-10-06 04:08
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时间：2024-11-20 11:53
为什么卢瑟福的α粒子的散射实验，最终能得出“核式结构模型”？
实验的最初目的是打算精确地测出α粒子的荷质比，只需要知道他的铀样品放射出多少α粒子，之后测量总电量，再除以粒子数就行了.
α粒子非常小，用显微镜看不到，但是卢瑟福知道它们能电离空气分子，因此如果将空气隔绝在电场中，离子就会产生电流.根据这个原理，卢瑟福和盖革设计了一个装在玻璃管中，由两个电极组成的简单的计数装置.每一个通过玻璃管的α粒子都会产生一个可以数的电脉冲，这就是盖革计数器的早期版本.
盖革和卢瑟福设计的计数器被证明并不可靠，因为α粒子与
空气分子
在探测腔内碰撞时会被强烈地偏转.变化多端的轨迹意味着每一个α粒子并不都产生同样数量的电离离子，因此读出的数据不正确.这个问题令卢瑟福十分困惑，因为他曾经以为α粒子非常重以至于不可能被撞出那么大的偏转
，于是卢瑟福让盖革实验一下，看看有多少物质会散射α射线.α粒子散射的实验完成于1909年.在那时代，原子被认为类比于梅子布丁（物理学家约瑟夫·汤姆孙提出的），负电荷（梅子）分散于正电荷的圆球（布丁）.假若这梅子布丁模型是正确的，由于正电荷完全散开，而不是集中于一个原子核，库仑位势的变化不会很大，通过这位势的α粒子，其移动方向应该只会有小角度偏差.
他们设计的实验包括用α粒子轰击金属薄片，来观察薄片的厚度和材料与散射α粒子的关系
，他们用荧光屏测量粒子的轨迹，每一个α粒子对荧光屏的冲击都会产生一个非常微小的闪光.盖革在一个暗室工作了好几个小时，用显微镜计数这些火花.卢瑟福缺乏这种忍耐力，这就是为什么要他的年轻同事来做的原因.他们使用了很多金属薄片，但是比较喜欢金箔，因为金箔的延展性使得可以制作得非常薄，而且使用放射性比铀强几百万倍的镭.在卢瑟福的指导下，盖革和马士登发射α粒子束来轰击非常薄、只有几个原子厚度的金箔纸.然而，他们得到的实验结果非常诡异，大约每8000个α粒子，就有一个粒子的移动方向会有很大角度的偏差（甚至超过 90°）；而其它粒子都直直地通过金箔纸，偏差几乎在2°到3°以内，甚至几乎没有偏差.从这结果，
卢瑟福断定，大多数的质量和正电荷，都集中于一个很小的区域（这个区域后来被称作“原子核”）；电子则包围在区域的外面.当一个（正价）α粒子移动到非常接近原子核，它会被很强烈的排斥，以大角度反弹.原子核的小尺寸解释了为什么只有极少数的阿尔法粒子被这样排斥.
在1910—1911的冬天，卢瑟福思考出了一个原子具有带电的中心的原子模型的基本看法，就像盖革和马斯登在他们1909年的文章中指出的那样：
如果考虑到α粒子的质量和较大的速度，那么在实验中显示出来的某些α粒子被 cm厚的金箔偏转90°甚至更大角度就显得非常令人吃惊.用磁场达到相同的效果的话，需要109绝对单位（absolute units）的巨大磁场.
在1911年5月的论文中，卢瑟福总结到，让一个大质量带电粒子的轨迹产生如此大的偏转，只有一种可能，那就是金原子的大部分质量和电荷量都集中在非常小的中心位置.注意：此时卢瑟福并未称其为原子核（nucleus）.
实际上，卢瑟福在得出这个中心带电的结论时非常谨慎：
一个很简单的计算显示，原子必须位于一个非常强的电场中，使得在对碰时可以产生如此大的偏转.他非常迅速和粗糙地想出，如果这个中心带电的原子模型正确的话，几个定量关系必须是真的：1.某个角度散射的α粒子数量与金箔的厚度成正比.2.数量与中心电量的平方成正比.3.数量与α粒子的速度的四次方成反比.这3个关系导致了1年后盖革与马斯登的实验.
卢瑟福考虑到带电中心带负电的可能性
.今天听起来奇怪，那么是什么使得这个看法合理呢？首先，这个与汤姆孙的模型不是非常不同.其次，因为卢瑟福知α粒子带2个单位的正电荷，他认为这可能像太阳吸引靠近它的彗星.就像弹弓的皮带将α粒子甩出去后又拉回原来的方向.他也考虑到了日本物理学家Hantaro Nagaoka (1865–1950)提出的一个几乎被忘记的模型——土星模型.Nagaoka 和卢瑟福在1910到1911年之间有联系，卢瑟福提到了“一个具有吸引力的中心质量被旋转的电子包围”的Nagaoka模型.在这篇重要的论文中，卢瑟福最终申明，无论原子是圆盘的还是球型的，无论中心带正电还是负电，都不影响计算结果.卢瑟福一直非常小心地不去声称那些他的计算不支持的结果.卢瑟福确实看到了中心带电原子模型的特征的可能的测试.一个带正电荷和负电荷的中心对β粒子的吸收应该是不同的，他说.
一个带正电荷的中心可以解释α粒子从放射性物质中以很高的速度放射出来.
但是这只是暗示.盖革和马斯登的确系统性地做过卢瑟福提出的中心模型的假设的各种可以测试的应用.第一次世界大战完全扰乱了卢瑟福在曼切斯特的工作，卢瑟福的团队成员中，波尔返回丹麦，马斯登接受了新西兰的教授职位，莫斯利死于加里波底的战役，战争开始时和盖革在德国技术大学工作的查德威克，因战争俘虏被关押在Ruhleben集中营.其他学生也参战去了，卢瑟福也去研究反潜技术.
由于这些的干扰，卢瑟福和他的实验室管家威廉凯1917年才开始用α粒子穿过氢气，氮气和其他气体，第一次世界大战结束时，马斯登短暂地帮助观察令人乏味的闪烁，这种闪烁提供了通向原子核的线索.卢瑟福在1919年报告了这些试探性的实验.卢瑟福将放射源镭214放在一个可封闭的铜容器内，从而可以根据需要改变位置，抽空或引入不同气体，α粒子穿过容器内部并通过一个用银板或者他物质盖着的狭缝，轰击一个硫化锌屏幕，在暗室里可以看到屏幕上有闪光.当放入氢气后，非常小心地使α粒子在轰击屏幕前使其完全吸收，但是依然可以看到屏幕上的闪光，卢瑟福认为，当α粒子通过氢气时，偶然地与氢原子和发生了碰撞.这使得氢原子飞速地向α粒子原来运动的方向运动.
在这些实验中，
卢瑟福有几个疑问，主要是关于原子核的特征
.他叫他的同事Darwin根据原子核间的弹性碰撞的简单原理，利用平方反比的排斥力，分析α粒子与电子（或与电子电量相同、电性相反的粒子）以及和氢原子核的碰撞. Darwin发现所有与氢原子接近到 cm以内时都能让氢原子加速沿着α粒子运动的方向前进而在屏幕上产生闪光，然而，这个简单的原理还预测，只有非常少的，比观测到的还少的氢原子会被加速碰撞到屏幕上.
像这样的实验一直包含着一些“如果我们这样做会发生什么”的问题，然而卢瑟福的脑海里有几个清晰的问题和目标.1919-1920年，卢瑟福和chadwick很快发现当α粒子轰击氮和其它轻元素时，靶子会快速飞出emitted一个单位正电荷的粒子，当靶子是氮，氧，铝和其它轻元素时都这样.当高速运动的粒子在黑暗的room中轰击zinc-sulfide屏幕时，他们看到了火花，光的闪烁，很明显，这种微粒十分普遍而应该有一个名字，他们称之为proton.
卢瑟福推断说，当氮捕获α粒子并释放一个质子后，原子核就有8个单位正电荷而不是7个单位正电荷了，也就是成了氧.
原子是由带正电荷的原子核和围绕原子核运转的带负电荷的电子构成.原子的质量几乎全部集中在原子核上.起初，人们认为原子核的质量（按照卢瑟福和玻尔的原子模型理论）应该等于它含有的带正电荷的质子数.可是，一些科学家在研究中发现，原子核的正电荷数与它的质量居然不相等！也就是说，原子核除去含有带正电荷的质子外，还应该含有其他的粒子.那么，那种“其他的粒子”是什么呢？是中子.
