1911 年5 月:拉塞福 (Ernest Rutherfo

时间:2020-06-04 作者:

 


1909年,拉塞福( Ernest Rutherford,1871-1937)的学生在拉塞福所指定的实验中发现了令人意外的结果,拉塞福说此发现是他一生中所碰过最难以置信的事情。

他们在这个至今仍很着名的实验中观察到 $$\alpha$$ 粒子自一张金的薄片往后散射回来。拉塞福在他 1911 年 5 月所发表的论文中解释说,此散射是由原子中心一个又硬、又密的核—原子核—所引起的。

1911 年5 月:拉塞福 (Ernest Rutherfo

拉塞福

1871 年,拉塞福诞生在纽西兰,家中有 12 个小孩。长大后,他常常在家里的农场帮忙,在学校,他是一个优秀的学生,所以能领取奖学金上纽西兰大学。大学毕业后,他在 1894 年获得奖学金成为剑桥大学的研究生。据说当他一知道获得奖学金时即说:「这是我所挖到的最后一颗马铃薯了。」

在剑桥,年轻的拉塞福在 Cavendish 实验室,跟随发现电子的汤姆森(J.J. Thomson)做研究。拉塞福的聪明才智很快地获得赏识,在 1898 年即到蒙特娄的 McGill 大学当教授。就在那里,他证实了 $$\alpha$$ 和 $$\beta$$ 的辐射是两种不同的辐射,还研究这些辐射的特性,不过他并不知道 $$\alpha$$ 是氦元素的原子核。1901 年,拉塞福和化学家 Frederick Soddy 发现放射物质会衰变成另一种物质,此发现让拉塞福于 1908 年获得诺贝尔化学奖,但他却不是很高兴,因为他自认为是物理学家,而非化学家。(他说过:「所有的科学不是物理,就是集邮」,被广为引用。)

1907 年,拉塞福回到英国的曼彻斯特大学,1909 年,他正和同事 Hans Geiger 一起为学生 Ernest Marsden 拟定研究计画。那时拉塞福已经开始研究 $$\alpha$$ 粒子撞到金薄片后的散射情形,他仔细地测量大多数的粒子穿越薄片后往前小角度的散射情形。拉塞福不管多幺不重要都不想漏掉实验的任何一个角度,所以就建议 Marsden 注意看看是否有任何一个 $$\alpha$$ 粒子是往「后」散射的。

Marsden 并没期待会发现什幺,但他还是很尽责、小心地执行这个实验。后来他写道,他觉得这是一个对他实验技巧的测试。实验是将 $$\alpha$$ 粒子从放射源发射出去,打在一张薄的金箔上,每一个往后散射的粒子都会撞到一个镀有硫化锌的屏幕,而被带电粒子撞到的屏幕会发出火花。

Marsden 让房间暗下来后,坐着等他的眼睛习惯黑暗,然后很有耐心地盯着屏幕看,并没有期待会看 到什幺。可是,Marsden 竟然看到许多小小的、快速闪烁的黄光,大约每秒会出现一次以上。他几乎无法相信他的眼睛所见,所以一再地测试实验的每一个环节,确认无误后,才向拉塞福稟报实验的结果。拉塞福也大吃一惊,正如他后来很喜欢说的:「这就好像你朝一张卫生纸射出一枚 15 吋的砲弹,砲弹却弹回来打中你一样。」

大约几千个发射到金薄片的 $$\alpha$$ 粒子中就有 $$1$$ 个散射的角度大于 $$90$$ 度,这和当时普遍使用,汤姆森(J.J. Thomson)所研发出来所谓梅子布丁模型的原子模型不符合。在汤姆森的模型中,电子被认为是黏在均匀分布、带正电的小物质点上,正如布丁上的葡萄乾一样,在此情形下只会产生小角度的散射,不会有 Marsden 所观察到的情形发生。

拉塞福在经过一年多的思考后,找到了答案。他在 1911 年说,此问题唯一的解释是,$$\alpha$$ 粒子被位于金原子中心一个很小但密度很高、带大量正电荷的中心核所散射回来。他还提出说,原子的电子一定是绕着此中心核而旋转,正如行星绕着太阳运转一般。拉塞福做了相当简单的计算就算出原子核的大小,它仅大约是原子大小的 $$\frac{1}{100,000}$$,原子的内部空间大都是空空的。

1911 年 3 月,拉塞福在曼彻斯特文学与哲学学会的会议上宣布他的意外发现,1911 年 5 月,他将此结果的论文发表于「哲学杂誌」(the Philosophical Magazine)后来,拉塞福和 Marsden 试着以其他的元素当作目标来做实验,也测出它们的原子核大小。

太阳系统的模型并未立即被人接受,其中一个主要的原因是,根据马克斯威尔的方程式,绕着圆形轨道运行的电子应该会放射出能量而逐渐地慢下来,掉入原子核中,所以太阳系统的原子不会存在很久。幸好波尔(Niels Bohr)很快地应用了量子力学的新观念才挽救了太阳系统模型,他说,假如电子只能佔有某几个离散轨道的话,原子就可维持完整不变。虽然拉塞福仍不知道他所发现的原子核中有些什幺(质子和中子都是后来才证实的),但是他在 1911 年的洞察力推翻了当时所使用的梅子布丁原子模型,开启了现代原子物理学的新时代。

 

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