α粒子散射实验面面观
1.什么是散射实验？
非常薄的材料层被各种粒子——x光、电子和α粒子——轰击，并且通过观察这些粒子在穿过材料层之后的偏转来获得原子结构信息。这个实验叫做散射实验。
2.为什么α粒子散射实验研究原子结构
原子结构不能直接观察。应该用高速离子轰击，应该根据粒子的散射来分析和判断原子的结构。阿尔法粒子有足够的能量穿过原子，阿尔法粒子的散射可以通过荧光观察到。因此，选择α粒子进行散射实验。阿尔法粒子是由放射性物质(如铀和镭)发射的粒子，带有两个正电荷，是氢原子和氦原子核质量的四倍，发射速度是光速的1/10。阿尔法粒子有很强的电离作用，所以它们在空气中只能向前移动几厘米。此外，由于α粒子的大发射速度和足够的能量，α粒子还能使荧光物质发光。
19世纪末，物理学揭示了震惊科学界的“三大发现”。1895年，德国物理学家伦琴(1845-1923)发现了x光，法国物理学家贝克雷尔(1852-1908)发现了天然放射性。1897年，英国物理学家汤姆森(1856 ~ 1940)发现了电子。这些伟大的发现激励了卢瑟福，使他决心深入研究原子结构。1898年，卢瑟福发现，当受到磁场作用时，镭发出的辐射至少被分成两部分。他称带正电的部分为小偏转幅度α射线，带负电的部分为大偏转幅度β射线。1900年，法国化学家维拉德发现在铀射线中有伽马射线，它不会在磁场中偏转，并具有很强的穿透力。1903年，卢瑟福发现α射线的能量是β射线和γ射线的99倍。1906年，他发现当α射线穿过云母片时，出现了偏转2°的小角度散射现象。1908年6月，卢瑟福的助手盖革发现，a射线的散射角与目标物质的原子量成正比。同年10月，布拉格写信给卢瑟福，告诉他当他用α粒子轰击原子时，α粒子发生了急剧的转变。这些现象促使卢瑟福和盖革决定使用重金属目标进行散射实验。1909年3月，卢瑟福向正在进行实验的马斯登提议，“看看你能否从金属表面直接反射阿尔法粒子？”结果
3.实验方法的设计原则和设计思路
在真空环境中，放射性元素钋发射的α粒子轰击金箔，然后通过显微镜观察荧光屏(硫化锌屏)接收的α粒子。通过分析和比较α粒子轰击金箔前后的运动，进一步了解金原子的结构。α粒子与金原子相互作用前后的运动差异必然带有金原子结构特征的印记，这正是α粒子散射实验的设计思想。实验需要在真空环境中进行，以避免气体分子对α粒子运动的影响。原因主要是由于α粒子的电离。如果阿尔法粒子由于电离作用只能在空气中向前移动几厘米。
4.为什么金箔用于α粒子的散射实验？轻金属能被使用吗？
为了尽可能精确地研究轰击粒子和靶原子之间的单次碰撞，希望靶越薄越好，否则多次碰撞会掩盖单次碰撞产生的效应。黄金有五个主要优点:首先，黄金是一种重金属；第二，金具有很强的延展性，易于制成厚度为1μm的薄片，因此绝大多数α粒子在穿过金箔后仍沿原来的方向运动。第三，金化学性质稳定，不易与荧光粉反应。第四，金有很大的原子序数和大量的正电荷。它对α粒子有很大的库仑排斥力，与α粒子碰撞后有很大的散射角。第五，α粒子的散射角与目标物质的原子量成正比。黄金有很大的原子量。当α粒子与它碰撞时，α粒子的运动状态发生明显变化。
5.卢瑟福是如何在α粒子散射实验中获得α粒子散射的准确数据的？
在α粒子散射实验中，卢瑟福用“闪烁法”观察α粒子的散射。然而，在实际观测中，精确计算α粒子撞击硫化锌屏引起的闪烁并不容易。造成困难的主要因素是:(1)单位时间内阿尔法粒子撞击屏幕造成闪光过多(高达每分钟90至100次)；(2)α粒子依次撞击屏幕的时间间隔的不确定性引起的计数节奏的变化会影响计数的准确性。卢瑟福的具体方法包括:(1)训练和选择优秀的观察者。卢瑟福要求他的研究生在为期六周的阿尔法粒子实验和观察的培训课程中跟随查德威克，然后选择有着好眼睛的优秀观察者，他们可以在紧张的工作中集中注意力并保持安静。(2)观察前对观察者进行必要的心理和生理调整。观察工作通常安排在固定的时间，每周两次，从下午4点到6点，观察者进入弱光实验室后的第一件事就是喝茶聊天，放松一下，让眼睛适应观察环境；(3)利用观测者之间的差异提高闪烁数的统计精度。让两个人同时观察硫化锌屏幕。由于两个人的观察效率(统计数与实际闪烁数之比)不同，分别为η1和η2，所以两个人在计数时按下电键会发出三种信号。从第一个观察者传输的计数n1、从第二个观察者传输的计数n2和从两个观察者同时传输的计数n12分别是n1=η1n、n2=η2n、n12=η1η2n。因此，实际闪烁数可以获得为n = n1n2/n12，这大大提高了观察精度。卢瑟福根据这种方法获得的准确数据对核结构做出了判断。
6.为什么原子的核结构可以从α粒子的散射现象中总结出来？
α粒子散射实验的现象是沿不同的散射角度观察到散射的α粒子，但数量不同，如图所示，α粒子的整体散射路径。这些分散的α粒子可分为三类:(1)大部分α粒子在通过金箔后仍沿原方向运动；(2)少量α粒子大角度偏转；(3)少数α粒子的偏转角超过90°，有的甚至达到180°。解释实验现象:首先，由于α粒子的质量是电子的7000多倍，电子不可能大角度偏转α粒子；其次，如果原子中的带正电物质按照汤姆逊原子模型均匀分布，那么当α粒子穿过原子时，α粒子的散射应该大致相同，因为均匀分布在α粒子两侧的带正电物质对α粒子的库仑斥力将基本上相互抵消，因此不可能获得较大的α粒子偏转力。然而，α粒子的“绝大多数”、“少数”和所谓的“极少数”三个部分在散射过程中的行为差异充分表明，原子的正电荷部分必须高度集中在一个小区域，即原子应该具有核结构的特征。在1925年的一次演讲中，他谈到了1909年3月实验后的心情。他说:“如果一片金叶被放置在一束阿尔法射线的轨道上，一些射线进入金原子并被散射，这只是我们所期望的。然而，一个明显和意想不到的观察是一些快速α粒子的速度和能量，这是一个极其令人惊讶的结果。这就像一名枪手在一张纸上开枪，弹头因为其他原因弹回。”