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上方:預期結果:阿爾法粒子不受到擾動地通過梅子布丁模型。下方:觀測結果:一小部分阿爾法粒子被反彈,表明全部正電荷集中於一個很小的區域。

原子物理學裏,拉塞福散射(英語:Rutherford scattering)指的是帶電粒子因為庫侖相對作用而進行的一種彈性散射英语elastic scattering。這種散射實驗是由歐尼斯特·拉塞福領隊設計與研究,成功地於 1909 年證實在原子的中心有個原子核[1],也導致拉塞福模型的創立,及後來波耳模型的提出。應用拉塞福散射的技術與理論,拉塞福背散射Rutherford backscattering)是一種專門分析材料的技術。拉塞福散射有時也被稱為庫侖散射,因為它涉及的位勢庫侖位勢深度非弹性散射deep inelastic scattering)也是一種類似的散射,在 60 年代,常用來探測原子核的內部。

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歷史编辑

α粒子散射的實驗完成于1909年。在那時代,原子被認為類比於梅子布丁(物理學家約瑟夫·湯姆森提出的),負電荷(梅子)分散於正電荷的圓球(布丁)。假若這梅子布丁模型是正確的,由於正電荷完全散開,而不是集中於一個原子核,庫侖位勢的變化不會很大,通過這位勢的阿爾法粒子,其移動方向應該只會有小角度偏差。[2][3]:51-53

在拉塞福的指導下,漢斯·蓋革欧内斯特·马斯登發射α粒子射束來轟擊只有幾個原子厚度的薄白金箔紙。[註 1]然而,他們得到的實驗結果非常詭異,大約每8000個阿爾法粒子,就有一個粒子的移動方向會有很大角度的偏差(甚至超過 90°);而其它粒子都直直地通過白金箔紙,偏差幾乎在2°到3°以內,甚至幾乎沒有偏差。從這結果,拉塞福斷定,大多數的質量和正電荷,都集中於一個很小的區域(這個區域後來被稱作“原子核”);電子則包圍在區域的外面。當一個(正價)α粒子移動到非常接近原子核,它會被很強烈的排斥,以大角度反彈。原子核的小尺寸解釋了為什麼只有極少數的α粒子被這樣排斥。[4][3]:51-53

拉塞福對這奇異的結果感到非常驚異。他後來常說:「這是我一生中最難以置信的事件…如同你用15吋巨砲朝著一張衛生紙射擊,而炮彈卻被反彈回來而打到你自己一般地難以置信。」[2][3]:51-53

拉塞福計算出原子核的尺寸應該小於   。至於其具體的數值,拉塞福無法從這實驗決定出來。關於這一部份,請參閱後面的“原子核最大尺寸”一節。[2]

微分截面编辑

 
一個粒子的排斥散射。所有通過左邊圓環   的粒子,感受到位勢的作用,必定會通過右邊圓環  

拉塞福計算出來的微分截面

 

其中, 截面 立體角  是阿爾法粒子的電荷量  是散射體的電荷量 真空電容率 能量  是散射角度。

原子核最大尺寸编辑

假設阿爾法粒子正面碰撞於原子核。阿爾法粒子所有的動能( ),在碰撞點,都被轉換為位能。在那一剎那,阿爾法粒子暫時是停止的。從阿爾法粒子到原子核中心的距離   是原子核最大尺寸。應用庫侖定律

 

其中, 質量  是初始速度。

重新編排,

 

阿爾法粒子的質量是   ,電荷量是   ,初始速度是   ,金的電荷量是   。將這些數值代入方程式,可以得到撞擊參數   (真實半徑是   )。這些實驗無法得到真實半徑,因為阿爾法粒子沒有足夠的能量撞入   半徑內。拉塞福知道這問題。他也知道,假若阿爾法粒子眞能撞至   半徑,直接地擊中金原子核,那麼,在高撞擊角度(最小撞擊參數   ),由於位勢不再是庫侖位勢,實驗得到的散射曲線的樣子會從雙曲線改變為別種曲線。拉塞福沒有觀察到別種曲線,顯示出金原子核並沒有被擊中。所以,拉塞福只能確定金原子核的半徑小於  

1919 年,在拉塞福實驗室進行的另一個非常類似的實驗,物理學家發射阿爾法粒子於原子核,觀察到散射曲線顯著地偏離雙曲線,意示位勢不再是庫侖位勢。從實驗數據,物理學家得到撞擊參數或最近離距(closest approach)大約為   。更進一步的研究,在拉塞福實驗室,發射阿爾法粒子於原子核和原子核,得到的結果,使得詹姆斯·查德威克和工作同仁確信,原子核內的作用力不同於庫侖斥力[5]

應用编辑

現今,應用這些年累積的散射原理與技術,拉塞福背散射譜學能夠偵側半導體內的重金屬雜質。實際上,這技術也是第一個在月球使用的實地分析技術。在勘察者任務surveyor mission)降落於月球表面後,拉塞福背散射譜學實驗被用來收集地質資料。

參閱编辑

註釋编辑

  1. ^ 這個計算粒子大角度散射數量的特別實驗使用的是白金箔紙。[4]

參考文獻编辑

  1. ^ 拉塞福, 歐尼斯特. The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom. Philosophical Magazine. May 1911, 21: p. 669–688 [2008年12月21日]. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 蕭如珀; 楊信男, 拉塞福和原子核的發現 (PDF), 物理雙月刊, Jun 2007, 29 (3) 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Kragh, Helge. Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century Reprint. Princeton University Press. 2002. ISBN 978-0691095523. 
  4. ^ 4.0 4.1 Geiger, Hans; Marsden, Ernest, On a Diffuse Reflection of the α-Particles, Proceedings of the Royal Society, 1909, 82 (A): p. 495–500, (原始内容存档于2008-01-02), Three different determinations showed that of the incident α-particles about 1 in 8000 was reflected [by the platinum reflector] 
  5. ^ 派斯, 亞伯拉罕. Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World. USA: Oxford University Press. September 29, 1988: pp. 239. ISBN 978-0198519973.