卢瑟福的原子核模型并不来自于金箔实验

• Rutherford Nuclear Model Wasnt Inspired by the Gold Foil Experiment
• Kathy老师讲述的有趣科学历史

 

01 金箔实验

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一、前言

  如果在网上搜索原子核是如何被发现的，你可能会碰到卢瑟福的金箔实验。 在这个实验中， 一束 α 粒子撞击一片薄薄的金箔，  α 粒子的位置可以通过周围有硫化锌荧光屏上相应的闪烁点来确定。  实际上在 1913 年的确进行了这样的实验，但这个实验不是卢瑟福所做的，也没有激发卢瑟福发现原子核。 其实是为了验证卢瑟福在两年前发表的原子模型理论。  真正对卢瑟福提出原子核理论有影响的实验是在 1909 年进行的。 实验中测试了八种不同的金属， 包括了黄金。 实验装置要简单得多。 因为实验简单， 事实上，卢瑟福自己懒得做， 于是把他作为 实验作业 交给了本科生。  这个学生如何在实验作业中发现了什么惊人的事情， 这其中的原委让我们听Kathy 老师娓娓道来。

▲ 图1.1.1 1909年反射实验

二、布丁模型

  这一切都始于 1899 年。那时，剑桥大学的研究生卢瑟福注意到铀的射线很复杂， 有些很容易被阻挡，有些则不然。 他将最容易被阻挡的辐射称为为α射线，将另一种辐射称为为β射线。  卢瑟福随后在麦吉尔大学找到了一份教授的工作，正如他所说，他在那里拥有“一个膨胀的实验室”，做出了许多令人惊叹的工作。

▲ 图1.2.1 卢瑟福的辐射实验

  1904 年，澳大利亚人威廉·布拉格发表了他的发现，α 粒子毫无偏差地穿过薄固体。 总的来说，卢瑟福对布拉格的工作评价很高，但在有一点他有不同看法。 卢瑟福认为物质中充满了电子， 电子是极小的带电粒子，可以非常靠近它们，因此会感受到非常强大的电力。  J.J. 早在 1897 年就发现了电子，将电子称为“微粒”，卢瑟福当时在剑桥求学，师从汤姆森。 
  到 1904 年，汤姆森通过实验得出结论：“原子包含了许多带负电的微粒， 这些微粒包围在均匀带正电的球体中。”  这通俗地称为原子的干果布丁模型，其中电子是葡萄干，或者如果你是英国人，可能吃过这种带有葡萄干的布丁。

▲ 图1.2.2 原子的布丁模型

三、α 闪烁

  大约在这个时候，卢瑟福开始相信 α 粒子是正电荷， 其电荷是电子的两倍， 质量大约是其 7,000 倍。 尽管如此，卢瑟福认为微小的电子可以通过电场推动重的 α 粒子，因为α粒子与电子之间可以彼此靠得很近， 所以它们之间的电场作用会变得非常强。 

▲ 图1.3.1 α例子模型
  1906 年，卢瑟福发表了他的理论的实验验证结果。 卢瑟福将一小段放射性线放入凹槽中，然后让线中的 α 粒子束通过一个小缝隙并照亮荧光屏。  然后他用云母屏幕覆盖了一半的缝隙。 穿过云母的粒子产生的光束比没有穿过云母的粒子产生光束 扩散了大约 2%。  卢瑟福据此推论：“这样的结果清楚地表明，物质的原子中存在着非常强的电场，这与物质的电子模型理论的推论是相一致的。”

  1907 年，在加拿大的“殖民地”感到被排斥的卢瑟福回到英国， 在曼彻斯特大学找到了一份工作，在那里他遇到了一位名叫汉斯·盖革的年轻德国科学家。  盖革和卢瑟福随后确定，由硫化锌磷光制成的屏幕在被 α 粒子（并且只有 α 粒子）击中时会发光，这个过程称为闪烁。 卢瑟福讨厌闪烁实验，把它留给了更年轻、更有耐心的盖格来做闪烁实验。 他写信给一个朋友说：“盖格在观察闪烁方面仿佛被施了魔法一样， 非常擅长并乐此不疲。他可以不间断一整夜都在数闪烁个与，在此过程中始终保持镇定从容。对此我最多只能坚持两分钟， 之后就再没有精力观察闪烁了。”

▲ 图1.3.2 盖哥与卢瑟福

  闪烁还有另一个问题，正如卢瑟福所说的“漏判”，“是否每个 alpha 粒子都会产生闪烁。” 因此，卢瑟福转而求助于“电学方法”。 我们知道一个 alpha 粒子的电荷是 2e 或电子电荷的两倍，它非常非常小，比静电计可以测量的下限要小得多。  幸运的是，卢瑟福与 JJ 汤姆森共事时有一个名叫约翰汤森的朋友， 发现如果他将低压气体置于非常高的电压下，  直到它几乎产生电离产生火花放电，只需一点点电荷就会产生电荷雪崩，这样就可以将电荷粒子可以放大。 

▲ 图1.3.3 粒子产生气体雪崩放电
  1908 年，卢瑟福写道：“在这样的条件下， α 粒子在气体中产生的电离通过碰撞被放大了 2,000 倍。每个 α 粒子的雪崩效果都足以被观察到。” 到 1908 年 7 月， 卢瑟福和盖革发表文章称，“闪烁的数量在实验误差的限度内， 等于落通过放电方法测量的 α 粒子的数量。” 

四、α 散射

  大约在进行电学实验的同时，盖格也在研究一种物质通过闪烁发射的阿尔法粒子的数量， 这时他注意到阿尔法粒子有点被空气散射了。Geiger 向 Rutherford 讲述了他的发现， Rutherford 想起了前期他用云母屏幕进行的实验出现的光斑扩散现象。 然后他告诉盖革用闪烁法重新做实验，  这样他们就可以获得通过薄材料 alpha 粒子的精确分布。  因此，盖革将镭放在一个小的铅抽真空锥体中， 锥体的一端覆盖着薄云母，让 α 粒子逸出。  然后他让粒子束穿过一个可以用箔纸覆盖的小缝隙， 然后用可以上下移动约 10 毫米的显微镜， 来检查撞击磷光屏的 α 粒子。

▲ 图1.4.1 盖哥检查α粒子在云母材料中的散射
  通过这种方式，盖革获得了被薄金属转移的 alpha 粒子位置的分布曲线。 第二年，一位名叫欧内斯特·马斯登的 20 岁本科生加入了研究小组。 接下来发生的事情最好由卢瑟福本人描述。  “有一天，盖格来找我说，‘你不认为年轻的马斯登应该开始一项小型研究课题吗？’ 现在我也这么想了，所以我说，'为什么不让他看看是否可以检测到大角度散射 alpha 粒子呢？ 我可以私下告诉你，我不相信它们会被散射，因为我们知道 alpha 粒子是一种非常快的大质量粒子，具有很大的能量。 

  然后我记得两三天后，盖革非常兴奋地来找我说，‘我们已经能够让一些 alpha 粒子返回。’” 那么马斯登做了什么？  他使用了相同的放射性锥体材料， 和以前一样。  但让它以一定角度撞击金属箔，然后让反射的 alpha 粒子撞击荧光屏幕，用显微镜检查。 他还在屏幕和放射源之间放置了一个铅屏障，这样他看到的一切都是金属薄膜反射的粒子。 Geiger 和 Marsden 然后用八种不同的金属进行了实验，发现一些 alpha 粒子会从薄金属上反弹，金属越重，反射的 alpha 粒子就越多。实验中被反射 alpha 总数非常少， 而事实上，在同一个实验中，他们发现 8,000 个 alpha 粒子中只有大约一个会被铂金反射。

▲ 图1.4.2 大角度α粒子散射实验
  不过，为什么重的 alpha 粒子会从薄金属上反射？ 这实在是不可思议。 卢瑟福回忆说：“这是我一生中发生过的最不可思议的事情。 它几乎就像你用 15 英寸的炮弹向一张薄纸发射一枚炮弹，然后它被弹射回来击中你一样不可思议！”  卢瑟福考虑了一年多，到 1910 年 12 月写信给朋友说， “我想我可以设计出比 JJ 的原子模型好得多的模型。它将解释盖革观察到的反射 alpha 粒子，我认为这是一个很好的假设模型。”

五、原子模型

  根据卢瑟福自己的话，他的思路是： “我意识到这种向后散射一定是一次碰撞的结果，当我进行计算时， 我发现除非你把一个系统放在 其中原子质量的大部分集中在一个微小的原子核中。” 

▲ 图1.5.1 两种不同的原子模型

  1911 年 3 月 7 日，卢瑟福发表了一篇文章， 其中原子包含“中心带正电荷 Ne，周围是均匀分布在半径为 R 的球体内的负电荷 Ne”。 卢瑟福随后从盖格和马斯登的实验结果得出结论，铂原子核的电荷约为电子电荷的 100e 或 100 倍，原子核比原子本身小约 10,000 倍。 我们现在认为铂的电荷为 78e，原子核比原子本身小约 100,000 倍。 这的确是超乎寻常的小。 

  如果将一个原子扩大到大教堂的大小，那么原子核将只有一只苍蝇那么大，但是一只苍蝇却拥有 99.9997% 的质量。或者换句话说，原子，以及所有物质，包含 99.999999999999999% 的物质，而这些物质只填充了体积的 0.0003%。 所以基本上，几乎所有东西都几乎不占任何空间。  如果物质是空空荡荡的，为什么我们不直接从地板上掉下来呢？  这是因为万物中都有极小的电子。 看，当你的鞋子中的原子彼此足够靠近时，它们中的电子会推动地板中的原子中的电子。 你并没有真正接触地板，或者任何其他东西。 由于电场作用力，你实际上只是在它上方悬停。 出乎意料吧？

▲ 图1.5.2 卢瑟福关于原子模型的论文

六、金箔实验

  早在 1913 年，Geiger 和 Marsden 进行了金箔实验。 实验不是用环绕屏幕完成的， 而是用可以圆周移动带有荧光屏幕显微镜完成的。 那个金箔实验验证了卢瑟福的原子核模型，证明了原子核存在并带有正电荷，卢瑟福非常相信这一点。 虽然理论得到验证是件好事， 但这个模型也带来了许多有趣的问题。 

▲ 图1.6.1 盖哥与马斯登的实验
  其中最大的一个问题与带正电的原子核和带负电的电子有关。 异性相吸，是什么阻止了电子被原子核吸引碰撞呢？  即使电子像行星一样绕原子核旋转，但这会存在电荷加速运动，旋转是一种加速形式。 根据麦克斯韦定律，加速运动的电荷会产生电磁波，这会使电子失去能量，然后螺旋进入原子核。 换句话说，根据经典物理学定律，卢瑟福的原子应该会崩塌。 可事实上有原子组成的是世界很稳定， 完好无恙。 所以要么卢瑟福错了，要么经典物理学在原子尺度上不起作用。

  这就是为什么在 1913 年 7 月，为 Earnest Rutherford 工作的一位名叫 Neil Bohr 的年轻丹麦人提出了一个新的观点， 这是关于原子模型中的量子力学，即玻尔模型。  在这个模型中，玻尔采用了一位名叫马克斯·普朗克的人的论文结果， 这是他在 1900 年发表的一篇关于黑体辐射的研究结果。

▲ 图1.6.2 波尔的原子量子模型

七、后记

  但是要讲述这个模型，以及整个量子力学的故事， 需要往回追溯，涉及到首先提出黑体辐射想法的人。  这是一个关于一个小个子男人和他的太空大朋友的神话故事，他们用棱镜改变了我们的世界，并从光谱中检测到太阳中存在黄金。  基尔霍夫和本生是如何发现光谱学的，如何对元素的光谱进行了系统研究，以及如何发现黑体辐射的， 关于这方面的故事我们下次再说。

▲ 图1.7.1 基尔霍夫和本生

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■ 相关文献链接:

• Rutherford Nuclear Model Wasnt Inspired by the Gold Foil Experiment

● 相关图表链接:

• 图1.1.1 1909年反射实验
• 图1.2.1 卢瑟福的辐射实验
• 图1.2.2 原子的布丁模型
• 图1.3.1 α例子模型
• 图1.3.2 盖哥与卢瑟福
• 图1.3.3 粒子产生气体雪崩放电
• 图1.4.1 盖哥检查α粒子在云母材料中的散射
• 图1.4.2 大角度α粒子散射实验
• 图1.5.1 两种不同的原子模型
• 图1.5.2 卢瑟福关于原子模型的论文
• 图1.6.1 盖哥与马斯登的实验
• 图1.6.2 波尔的原子量子模型
• 图1.7.1 基尔霍夫和本生