本页使用了标题或全文手工转换

盖革-马士登实验

维基百科,自由的百科全书
跳到导航 跳到搜索
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。

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。

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) 
  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.