行星結(jié)構(gòu)原子模型|中性原子模型|實心帶電球原子模型|葡萄干蛋糕模型|土星模型|太陽系模型|玻爾模型
英國物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford,1871~1937)1895年來到英國卡文迪許實驗室,跟隨湯姆遜學(xué)習(xí),成為湯姆遜第一位來自海外的研究生。盧瑟福好學(xué)勤奮,在湯姆遜的指導(dǎo)下,盧瑟福在做他的第一個實驗——放射性吸收實驗時發(fā)現(xiàn)了α射線。
盧瑟福設(shè)計的巧妙的實驗,他把鈾、鐳等放射性元素放在一個鉛制的容器里,在鉛容器上只留一個小孔。由于鉛能擋住放射線,所以只有一小部分射線從小孔中射出來,成一束很窄的放射線。盧瑟福在放射線束附近放了一塊很強的磁鐵,結(jié)果發(fā)現(xiàn)有一種射線不受磁鐵的影響,保持直線行進(jìn)。第二種射線受磁鐵的影響,偏向一邊,但偏轉(zhuǎn)得不厲害。第三種射線偏轉(zhuǎn)得很厲害。
盧瑟福在放射線的前進(jìn)方向放不同厚度的材料,觀察射線被吸收的情況。第一種射線不受磁場的影響,說明它是不帶電的,而且有很強的穿透力,一般的材料如紙、木片之類的東西都擋不住射線的前進(jìn),只有比較厚的鉛板才可以把它完全擋住,稱為γ射線。第二種射線會受到磁場的影響而偏向一邊,從磁場的方向可判斷出這種射線是帶正電的,這種射線的穿透力很弱,只要用一張紙就可以完全擋住它。這就是盧瑟福發(fā)現(xiàn)的α射線。第三種射線由偏轉(zhuǎn)方向斷定是帶負(fù)電的,性質(zhì)同快速運動的電子一樣,稱為β射線。盧瑟福對他自己發(fā)現(xiàn)的α射線特別感興趣。他經(jīng)過深入細(xì)致的研究后指出,α射線是帶正電的粒子流,這些粒子是氦原子的離子,即少掉兩個電子的氦原子。
“計數(shù)管”是來自德國的學(xué)生漢斯·蓋革(Hans Geiger,1882-1945))發(fā)明的,可用來測量肉眼看不見的帶電微粒。當(dāng)帶電微粒穿過計數(shù)管時,計數(shù)管就發(fā)出一個電訊號,
將這個電訊號連到報警器上,儀器就會發(fā)出“咔嚓”一響,指示燈也會亮一下??床灰娒恢纳渚€就可以用非常簡單的儀器記錄測量了。人們把這個儀器稱為蓋革計數(shù)管。藉助于蓋革計數(shù)管,盧瑟福所領(lǐng)導(dǎo)的曼徹斯特實驗室對α粒子性質(zhì)的研究得到了迅速的發(fā)展。
1910年馬斯登(E.Marsden,1889-1970)來到曼徹斯特大學(xué),盧瑟福讓他用α粒子去轟擊金箔,做練習(xí)實驗,利用熒光屏記錄那些穿過金箔的α粒子。按照湯姆遜的葡萄干蛋糕模型,質(zhì)量微小的電子分布在均勻的帶正電的物質(zhì)中,
而α粒子是失去兩個電子的氮原子,它的質(zhì)量要比電子大幾千倍。當(dāng)這樣一顆重型炮彈轟擊原子時,小小的電子是抵擋不住的。而金原子中的正物質(zhì)均勻分布在整個原子體積中,也不可能抵擋住α粒子的轟擊。也就是說,α粒子將很容易地穿過金箔,即使受到一點阻擋的話,也僅僅是α粒子穿過金箔后稍微改變一下前進(jìn)的方向而已。這類實驗,盧瑟福和蓋革已經(jīng)做過多次,他們的觀測結(jié)果和湯姆遜的葡萄干蛋糕模型符合得很好。α粒子受金原子的影響稍微改變了方向,它的散射角度極小。
馬斯登(左圖)和蓋革又重復(fù)著這個已經(jīng)做過多次的實驗,奇跡出現(xiàn)了!他們不僅觀察到了散射的α粒子,而且觀察到了被金箔反射回來的α粒子。在盧瑟福晚年的一次演講中曾描述過當(dāng)時的情景,他說:“我記得兩三天后,蓋革非常激動地來到我這里,說:‘我們得到了一些反射回來的α粒子......’,這是我一生中最不可思議的事件。這就像你對著卷煙紙射出一顆15英寸的炮彈,卻被反射回來的炮彈擊中一樣地不可思議。經(jīng)過思考之后,我認(rèn)識到這種反向散射只能是單次碰撞的結(jié)果。經(jīng)過計算我看到,如果不考慮原子質(zhì)量絕大部分都集中在一個很小的核中,那是不可能得到這個數(shù)量級的?!?
盧瑟福所說的“經(jīng)過思考以后”,不是思考一天、二天,而是思考了整整一、二年的時間。在做了大量的實驗和理論計算和深思熟慮后,他才大膽地提出了有核原子模型,推翻了他的老師湯姆遜的實心帶電球原子模型。
盧瑟福檢驗了在他學(xué)生的實驗中反射回來的確是α粒子后,又仔細(xì)地測量了反射回來的α粒子的總數(shù)。測量表明,在他們的實驗條件下,每入射八千個α粒子就有一個α粒子被反射回來。用湯姆遜的實心帶電球原子模型和帶電粒子的散射理論只能解釋α粒子的小角散射,但對大角度散射無法解釋。多次散射可以得到大角度的散射,但計算結(jié)果表明,多次散射的幾率極其微小,和上述八千個α粒子就有一個反射回來的觀察結(jié)果相差太遠(yuǎn)。
湯姆遜原子模型不能解釋α粒子散射,盧瑟福經(jīng)過仔細(xì)的計算和比較,發(fā)現(xiàn)只有假設(shè)正電荷都集中在一個很小的區(qū)域內(nèi),α粒子穿過單個原子時,才有可能發(fā)生大角度的散射。也就是說,原子的正電荷必須集中在原子中心的一個很小的核內(nèi)。在這個假設(shè)的基礎(chǔ)上,盧瑟福進(jìn)一步計算了α散射時的一些規(guī)律,并且作了一些推論。這些推論很快就被蓋革和馬斯登的一系列漂亮的實驗所證實。
盧瑟福提出的原子模型像一個太陽系,帶正電的原子核像太陽,帶負(fù)電的電子像繞著太陽轉(zhuǎn)的行星。在這個“太陽系”,支配它們之間的作用力是電磁相互作用力。他解釋說,原子中帶正電的物質(zhì)集中在一個很小的核心上,而且原子質(zhì)量的絕大部分也集中在這個很小的核心上。當(dāng)α粒子正對著原子核心射來時,就有可能被反彈回去(左圖)。這就圓滿地解釋了α粒子的大角度散射。盧瑟福發(fā)表了一篇著名的論文《物質(zhì)對α和β粒子的散射及原理結(jié)構(gòu)》。
盧瑟福的理論開拓了研究原子結(jié)構(gòu)的新途徑,為原子科學(xué)的發(fā)展立下了不朽的功勛。然而,在當(dāng)時很長的一段時間內(nèi),盧瑟福的理論遭到物理學(xué)家們的冷遇。盧瑟福原子模型存在的致命弱點是正負(fù)電荷之間的電場力無法滿足穩(wěn)定性的要求,即無法解釋電子是如何穩(wěn)定地待在核外。1904年長崗半太郎提出的土星模型就是因為無法克服穩(wěn)定性的困難而未獲成功。
因此,當(dāng)盧瑟福又提出有核原子模型時,很多科學(xué)家都把它看作是一種猜想,或者是形形色色的模型中的一種而已,而忽視了盧瑟福提出模型所依據(jù)的堅實的實驗基礎(chǔ)。
盧瑟福具有非凡的洞察力,因而常常能夠抓住本質(zhì)作出科學(xué)的預(yù)見。同時,他又有十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度,他從實驗事實出發(fā)作出應(yīng)該作出的結(jié)論。盧瑟福認(rèn)為自己提出的模型還很不完善,有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。他在論文的一開頭就聲明:“在現(xiàn)階段,不必考慮所提原子的穩(wěn)定性,因為顯然這將取決于原子的細(xì)微結(jié)構(gòu)和帶電組成部分的運動?!碑?dāng)年他在給朋友的信中也說:“希望在一、二年內(nèi)能對原子構(gòu)造說出一些更明確的見解?!?/P>