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卢瑟福粒子散射实验的意思、卢瑟福粒子散射实验的详细解释

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卢瑟福粒子散射实验的解释

由卢瑟福等人所做的α粒子穿透金属薄膜后向各个方向散射的实验。之前汤姆生认为中性原子中的等量正负电荷均匀分布在原子内。1911年卢瑟福用带正电的α粒子轰击金属薄膜,发现不同散射角度的粒子数目不一,经分析,他认为原子由带正电的很小的原子核与核外电子组成,提出了原子的行星模型。

词语分解

专业解析

卢瑟福粒子散射实验(Rutherford alpha particle scattering experiment)是物理学史上具有里程碑意义的实验现象,指1909年由欧内斯特·卢瑟福指导、盖革与马斯登完成的用α粒子轰击金箔的实验。该实验通过观测α粒子穿过金属箔后的偏转情况,揭示了原子内部结构,并推翻了当时主流的“枣糕模型”(汤姆孙原子模型)。以下是详细解释:

一、术语定义

  1. 卢瑟福(Ernest Rutherford)

    新西兰裔英国物理学家,被誉为核物理学之父。该实验以其姓氏命名,体现其对原子结构研究的开创性贡献。

  2. 粒子散射(Particle Scattering)

    “散射”在汉语中意为“分散传播”,此处特指带电粒子(α粒子)受原子内部电场作用而发生运动方向偏转的现象。

  3. 实验核心现象

    绝大多数α粒子直线穿透金箔(表明原子内部存在广阔空间),少数发生较大角度偏转(证实存在高密度带正电的核心),极个别被反向弹回(证明核心质量极大)。


二、实验的科学意义

  1. 提出原子核式结构模型

    实验结果表明:

    • 原子中心存在原子核(nucleus),集中了全部正电荷及绝大部分质量;
    • 电子绕核高速运动,原子核体积仅为原子体积的$10^{-15}$倍。 公式推导依据库仑斥力定律:

      $$ F = frac{k q_1 q_2}{r} $$ 其中$q_1$、$q_2$为α粒子与原子核电荷量,$r$为距离。

  2. 推翻枣糕模型

    汤姆孙模型认为正电荷均匀分布于原子内,无法解释大角度散射现象。卢瑟福模型通过数学计算(散射公式)与实验数据吻合,成为现代原子理论基石。


三、权威来源参考

  1. 学术定义来源

    • 《物理学名词》(第三版),科学出版社,2019年:明确规范“卢瑟福散射”为专业术语。
    • 《中国大百科全书·物理学卷》:详述实验原理及历史地位。
  2. 原始文献与科学史

    • 卢瑟福论文 "The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom" (Philosophical Magazine, 1911) 首次提出核式模型。
    • 诺贝尔奖官网传记页记载其获奖理由(1922年化学奖):“对元素衰变及放射化学的研究”。

实验示意图(原理)

α粒子源 → ▮▮▮▮ → 金箔
↑
闪烁屏(检测偏转粒子)

注:实际装置包含真空环境与粒子探测器。

此实验不仅定义了原子结构认知的转折点,“卢瑟福散射”更成为粒子物理中分析微观相互作用的经典方法。

网络扩展解释

卢瑟福粒子散射实验(又称金箔实验或α粒子散射实验)是1909年由汉斯·盖革和恩斯特·马斯登在卢瑟福指导下完成的物理学里程碑实验,其核心目的是验证汤姆生原子模型的正确性,并最终推动了原子核式结构模型的提出。

实验内容与现象

  1. 实验设计
    用高能α粒子(氦原子核,带正电)轰击极薄的金箔(厚度约微米级),通过观察α粒子的偏转情况推断原子内部结构。

  2. 关键现象

    • 绝大多数α粒子(约99.9%)直接穿过金箔,偏转极小;
    • 极少数α粒子(约1/8000)发生大角度偏转(超过90°),甚至被反弹。

实验结论与意义

  1. 推翻汤姆生模型
    汤姆生提出的“葡萄干面包模型”认为原子内正电荷均匀分布,但实验显示大角度散射无法通过该模型解释。

  2. 提出核式结构模型
    卢瑟福推断:

    • 原子中心存在一个极小的原子核(半径约$10^{-14}$米),集中了几乎全部质量和正电荷;
    • 电子绕核运动,原子大部分区域是“空旷”的。
  3. 公式推导
    卢瑟福通过库仑力作用推导出α粒子散射公式: $$ frac{N(theta)}{N_0} propto frac{1}{sin(theta/2)} $$ 该公式与实验数据吻合,进一步验证了核式模型的正确性。

科学意义

如需更完整信息,可参考搜狗百科及实验现象分析。

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