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卢瑟福发现了什么_卢瑟福发现了什么粒子
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发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：
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上节课我们说了卢瑟福在加拿大麦克吉尔大学工作了9年的时间，在这期间他发现了元素的善变以及放射元素的半衰期，因此获得了1908年诺贝尔化学奖。
虽然这个奖是科学家最大的荣誉，但这并不是卢瑟福研究的终点，他其实一直想离开待了9年的地方，因为卢瑟福觉得加拿大离欧洲的科学中心有点远，尤其是远离了英国、法国和德国，可以说当时最厉害的人都在这三个地方。
1906年，卢瑟福如愿以偿就获得了曼彻斯特大学的教授职位，1907年卢瑟福的实验室就来了两位年轻的物理学家，一个是博士后研究员汉斯·盖革，一位是大学生马斯登。
这就是回到英国的好处，不仅实验条件好，而且人才很多，实验室的脏活累活都可以让年轻人去干，自己只需要安排研究项目就行了。
很快卢瑟福就确定了研究的题目，用α粒子轰击金箔，观察α粒子穿过金箔以后的散射情况，那研究这个题目有两个原因：
第一个是卢瑟福的老师汤姆逊在1903年的时候提出了一个原子模型，他说：正电荷弥散着原子的空间里，而电子就镶嵌在正电荷里面，就像是布丁里面镶嵌着葡萄干一样。这个说法一直没有实验检验。
第二个是，本身α粒子的散射实验就是卢瑟福在1906的时候，当时他还在麦克吉尔大学，就做过这个实验，可能是限于当时的实验条件，以及精力有限，没做出啥结果。
所以他在曼彻斯特首要研究的就是这个题目，这个实验的设备说起来也简单，就是一个α粒子源，当时没有人工加速器，使用的是天然放射元素镭释放出来的α粒子，速度大约为2.09×10^7米/秒，α粒子的速度可以通过电磁偏转实验测量出来，
然后我们先让镭源发出的α粒子经过一个开有狭缝的遮挡屏，在经过狭缝以后，α粒子就会变成狭窄的一束，然后我们在用这束α粒子去轰击金箔。
当α粒子经过金箔原子的时候，α粒子就会和金箔原子里面的东西发生相互作用，使得α粒子的路径发生偏移，然后我们在让这些被散射的α粒子，射到后面的硫化锌荧光屏上，当α粒子击中荧光屏的话，就会出现闪光。
所以我们只需要统计闪光的次数和位置，就能知道α粒子被散射以后的角度分布情况，当然也能看出在哪个角度上，α粒子被散射的概率最大。这个实验说起来容易，其实做起来是一个累活，需要在全黑的环境，统计数小时的闪光情况。当然这些活都是由盖革和马斯登完成的。
起初的实验并没有啥特别的发现，比如在1908年的时候，盖革给卢瑟福的报告是这样的，他说，随着偏转角度的增大，被散射以后的α粒子的数目会越来越少，在大于几度以后，就看不到α粒子了。
这个结果很符合当时的预期，当然也很符合汤姆逊的原子模型，只要一个α粒子可以穿透金原子，那所有的α粒子都可以轻松地穿过金原子。
因为汤姆逊说了正电荷弥散在整个原子空间，这样的情况会带来两种可能结果：α粒子它要么一个都通过不了，要么全都可以通过；
那实验结果是原子中弥散的正电荷整体上没有对α粒子产生影响，α粒子都可以通过金原子。那α粒子所发生的小角度的偏转，可以解释为是和质量很小的电子发生相互作用。
但到了1909年，有一天盖革就找到卢瑟福说，马斯登现在也可以独立地做实验了，要不要让他也做一些研究？卢瑟福当时也觉得马斯登现在也可以，就给盖革说，你要不让他去看一下，在大角度上不是也有α粒子被偏转了？后来卢瑟福回忆说，他当时觉得这完全不可能，就是随口那么一说而已。
没想到两三天以后，盖革激动地找到了卢瑟福，就告诉了他，不仅在大角度上看到α粒子被偏转了出来，而且在2万个α粒子中，会出现一个α粒子向后散射，这意味着α粒子像是撞到一堵墙一样，直接转了180度的弯，朝后面飞了出来。
所以卢瑟福就说了那句话，这个现象的不可思议程度，就像是朝一张纸发射了一枚15英寸的炮弹，但炮弹却返回来打到了自己。
因为在卢瑟福的心里，α粒子的质量很大，速度很高，所以所携带的动能是相当可观的，那按照汤姆逊的说法，在原子就没有这么个东西可以直接挡住α粒子。所以这个实验结果非常的惊奇。
接下来的关键问题就是，汤姆逊如何根据这个实验结果，判断出原子核的存在。其实这个过程是非常的复杂，并不是我们常听说的那么容易。因为实验结果是1909年就做了出来，但是直到1911年卢瑟福才发表了原子核的概念；
可以看出两年的时间啊，卢瑟福在这期间考虑了很多可能，解决了很多思想上的困难，最后还提出了一个验证原子核模型的方法，在通过实验确认之后，才发表了自己论文。也可以看出，卢瑟福是一个十分严谨的人，不喜欢猜测，这也是为什么他不喜欢理论物理学家的原因。
好，下面我们就大概地说下，卢瑟福确认原子核的过程。首先它要否定自己老师的原子模型，在盖革和马斯登的实验中，在0.87°这个角度下，α粒子被散射的数目最多，也就是在这个角度下被散射的概率最大。
但是刚才说了，在2万个α粒子中就会出现那么一个α粒子朝后散射的情况，说明这个散射角度超过了90°，这角度是α粒子的入射方向和出射方向的夹角，超过了90度，肯定就朝后散射了。
这比刚才那个最大散射概率的角度大了100倍，如果按照汤姆逊的模型，α粒子是与电子发生相互作用才发生了偏转，但是这个偏转角度很小，那想要通过与电子的作用，持续累积到大于90度的偏转角度，在数学的概率中，这种几率非常小是不可能实现的。
所以汤姆逊就猜测，大角度的偏转不是多次的碰撞出现的，是α粒子在于原子中的某个东西的一次碰撞中就出现的大角度的偏转。
那由于α粒子的质量很大，速度很快，且带正电，卢瑟福就猜测α粒子很可能是撞到了一个大质量的，也带正电的东西。
在1911的论文中，卢瑟福计算了这么一种情况，α粒子正面撞上这个带正电的重粒子，这种情况就像是用皮球去砸一堵墙，皮球在一瞬间速度会降为0，这个瞬间皮球的动能会变为弹势能，然后弹势能又转化为皮球的动能，皮球会朝相反的方向运动。
α粒子和这个重粒子的碰撞也一样，也遵循能量守恒的规律，起初α粒子的动能可以根据α粒子的质量、速度的平方给算出来。
那α粒子在靠近这个带正电的重粒子的时候，会感受一个电斥力，这个电斥力和α粒子的速度方向相反，所以电斥力对α粒子做了负功，也可说α粒子所携带动能在对抗着电斥力在做正功。
总之，当α粒子在重粒子附近停下来的时候，电斥力所做的功就等于α粒子最初的动能，电斥力所做的功就等于（Ke×α粒子的电荷×重粒子的电荷）/α粒子和重离子最接近时候的距离。
因此我们就可以根据这个关系，列出一个公式，1/2×α粒子的质量×α粒子的初始速度²=Ke×α粒子的电荷×重粒子的电荷）/α粒子和重离子最接近时候的距离。
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