【种花家务·物理】4-8-03 α 粒子的散射实验『数理化自学丛书6677版』

【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。 

第八章原子的结构

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】  

§8-3 α 粒子的散射实验

【01】发现电子后，科学家们逐渐了解了电子的各种基本特性，并且认识到电子是各种元素原子的共同组成部分，但是另一方面又知道，原子是相当稳定的中性体。既然一切原子都具有带负电的电子，那么原子中就必然有带正电的物质存在。原子中的正负电荷究竟是怎样分布的呢？

【02】1903年，汤姆逊提出了一种原子模型。按照汤姆逊的原子模型，原子中的正电荷是以均匀的密度分布在一个大小等于整个原子的球体内，而荷负电的点电荷（即电子）则分布在球体内的不同位置上，并且分别以各种频率在各自的平衡位置附近振动。这个原子模型，由于缺乏实验基础，同时又和粒子散射实验的结果相矛盾，因此很快就被科学家们抛弃了。

【03】所谓 α 粒子的散射实验，就是利用 α 粒子来冲击原子，从而根据 α 粒子的散射情况来探测原子内部结构的实验。图8·8就是有关这个实验的装置示意图。图中 B 是一个插在套筒 C 上的可以转动的圆柱形金属匣；在套筒中心安装一个杆子，杆上装置一片金质的散射薄片 F【这里所以用金质的薄片是因为金的展延性强，能压得非常薄而不会裂开】，它还跟一个安置放射性物质的铅制小管 R 相连，但跟 B 匣是不相关的。M 是显微镜，在它前面装有荧光屏 S，它们与 B 匣连在一起，在转动 B 匣时，就可以调节显微镜 M 和荧光屏 S 的位置，使它们对准所要观察的方向。而散射薄片 F 和放射性物质 R 都是固定不动的。

【04】实验时，先从下方把 B 匣内的空气抽掉，以避免使粒子由于空气分子的影响而发生附加的散射。如果在 F 处不安装散射薄片，那就只有在把显微镜 M 和荧光屏 S 调节到对准放射性物质（氡）的位置时，才能观察到 α 粒子在荧光屏上所激发的闪光（图8·9(a)）。由于每一次闪光就相当于一颗 α 粒子打在荧光屏上，因此在这一位置上连续不断地看到闪光，而在其他位置上看不到闪光就表明 α 粒子是直线进行的。如果在 F 处装上散射薄片（金箔），那么转动 B 匣，不论使显微镜和荧光屏处在什么位置上，都能观察到闪光（图8·9(b)），这表明由放射性物质发出的 α 粒子通过金箔后向不同的方向发生了散射，记下在每单位时间内射到不同散射角 θ 方向上【荧光屏与散射薄片的联线和散射薄片的法线之间所成的角度是 α 粒子的散射角】单位面积内的 α 粒子数，就得出：粒子通过金箔后的散射情况。

【05】应该怎样来解释 α 粒子通过金箔所发生的散射现象呢？这显然不是由于金原子内电子的作用所引起的。因为 α 粒子的质量比电子的质量大得多，约是电子质量的7300倍【电子的质量约为氢原子的1/1837，α 粒子是失去 2 个电子的氦原子，已知氦原子量为4.003，约是氢原子的4倍，因此 α 粒子的质量约是电子质量的4×1837倍，即7300倍左右】，所以电子对它的引力不可能使 α 粒子发生显著的偏转。可见 α 粒子的散射现象主要是受到金原子内正电荷的推斥作用。根据汤姆逊的原子模型，正电荷是均匀地分布在整个原子中的，这样，金原子和 α 粒子间的相互作用就不会很强，因而 α 粒子的散射角就不可能很大。但是根据盖革和马斯敦在1909年按上述方法实验的结果，发现大多数的 α 粒子经过金箔后散射的角度是不大的，有的甚至仍然保持直线轨迹，就好象没有金箔一样；但有少数的 α 粒子散射的角度却很大，约有 1/8000 的 α 粒子的散射角在 90° 以上，有的几乎达到 180°，说明它们在冲击金箔后从原路上被顶了回来，就象碰到比它硬得多的东西一样，这一实验结果如果采用汤姆逊的原子模型是无法解释的，这就意味着，在原子中带正电荷的物质并不均匀地分布着。