盖革-马士登实验

(重定向自金箔实验

蓋革-馬士登實驗(英語:Geiger-Marsden experiment),又称卢瑟福散射实验,是1909年汉斯·盖革欧内斯特·马斯登欧内斯特·卢瑟福指导下于英国曼彻斯特大学做的一个著名散射实验。

左图:从均匀原子核模型预测的α粒子散射情况,α粒子運動方向只會發生微小偏轉。右图:卢瑟福等人实际观测到的情况,小部分的α粒子運動方向會發生大幅度偏轉,因為原子核的正電荷都集中在小範圍區域。

实验是用α粒子轰击各種金屬箔紙,发现绝大多数α粒子的偏向很小,但少数的偏向角很大甚至大于90度。由此可以证明,一个原子大部分的体积是空的空间,这由没有被弹回的粒子充分说明。

这个实验推翻了约瑟夫·汤姆孙創建的湯姆森模型 。根據這模型,原子是由電子懸浮於均勻分布的帶正電物質裡所組成。这个实验为建立现代原子核理论打下了堅實基础。

這實驗主要調研三個論題:[1]

  1. 測量α粒子從各種不同金屬反射的相對數量。
  2. 測量α粒子從不同厚度的薄金箔紙反射的相對數量。
  3. 測量α粒子對於白金的入射與反射的數量比例。

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,蓋革和馬士登發射阿爾法粒子射束來轟擊非常薄、只有幾個原子厚度的白金箔紙。[註 1]然而,他們得到的實驗結果非常詭異,大約每8000個α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。[1][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[4]

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。[1]

參考文獻 编辑

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 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2008-04-24), Three different determinations showed that of the incident α-particles about 1 in 8000 was reflected [by the platinum reflector] 
  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) [2019-05-30], (原始内容存档 (PDF)于2020-09-18) 
  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. ^ 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.