淺析α粒子散射實(shí)驗(yàn)的前因后果

摘要:從盧瑟福的一些表述出發(fā)，結(jié)合相關(guān)科學(xué)史料，淺析α粒子散射實(shí)驗(yàn)的前因后果，指出α粒子大角度散射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)才是該實(shí)驗(yàn)的真正歷史價(jià)值所在，提出將“α粒子散射實(shí)驗(yàn)”更名為“α粒子大角度散射實(shí)驗(yàn)”。同時(shí)對(duì)盧瑟福及α粒子散射實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容提出了教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞:α粒子散射;原子結(jié)構(gòu);行星模型

文章編號(hào):1005-6629(2010)05-0056-04 中圖分類號(hào):G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

1 對(duì)盧瑟福論著中相關(guān)表述的分析

1.1 “α、β粒子與物質(zhì)的原子碰撞之后，其直線運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)偏折”

高速粒子能穿越原子，其直線運(yùn)動(dòng)也會(huì)出現(xiàn)偏折。 盧瑟福在“物質(zhì)對(duì)α、β粒子的散射和原子構(gòu)造”[2]一文中提及這兩點(diǎn)時(shí)，使用了“眾所周知”一詞，這說明在盧瑟福及其助手觀測到α粒子大角度散射現(xiàn)象之前，這兩點(diǎn)就已經(jīng)是當(dāng)時(shí)科學(xué)界認(rèn)同的事實(shí)。因此可以說，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非α粒子散射實(shí)驗(yàn)的“首創(chuàng)”，或者說并非α粒子散射實(shí)驗(yàn)的真正歷史價(jià)值所在。

事實(shí)上，在J.J.湯姆孫(Joseph John Thomson，1856—1940)提出原子結(jié)構(gòu)的“葡萄干面包模型”之后，也設(shè)計(jì)了X 射線和β射線的散射實(shí)驗(yàn)，希望通過射線和原子中電子的相互作用，探明原子內(nèi)部電子的數(shù)目。但從各項(xiàng)散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，與湯姆孫原先的假設(shè)存在一定的矛盾。湯姆孫假設(shè)原子中的正負(fù)電荷具有對(duì)稱的性質(zhì)，根據(jù)從電子荷質(zhì)比實(shí)驗(yàn)中測得的電子質(zhì)量(約為氫原子質(zhì)量的1/1836)，估算出原子中的電子數(shù)N約為原子量A的一千倍，即N=1000 A。

當(dāng)時(shí)有很多科學(xué)家參與了這項(xiàng)探測工作，其中巴克拉(Barkla)通過X射線散射實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)果是N≈2A(A為原子量);而從β射線散射實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果是N≈0.2A。1910年，克勞瑟根據(jù)湯姆生的β散射理論，推證得出N=3A，而盧瑟福從α散射實(shí)驗(yàn)中得到N≈(1/2)A的結(jié)論。據(jù)此，湯姆孫判定N與A為同一數(shù)量級(jí)。

可見，當(dāng)時(shí)科學(xué)界所做的大量散射實(shí)驗(yàn)，有很大的可能是為了完善湯姆孫的模型，并確認(rèn)原子內(nèi)的電子數(shù)，從而為解釋原子如何能保持其穩(wěn)定狀態(tài)等問題提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。盧瑟福作為湯姆孫的研究生，自然會(huì)參與到這項(xiàng)科研工作中去。

湯姆孫和他的同行們所進(jìn)行的這些工作，打破了原子中正負(fù)電荷互相對(duì)稱的觀念，也為α粒子大角度散射實(shí)驗(yàn)——證實(shí)了原子核的存在，創(chuàng)造了思想上的可能性。

1.2“由于高速粒子(如α和β粒子)的巨大動(dòng)能，它們應(yīng)能穿過擋在其前進(jìn)路線中的原子。通過對(duì)帶電粒子與原子發(fā)生碰撞后偏離其直線軌道的研究，便可搞清楚原子中造成這種偏折的電力的強(qiáng)度和分布。[3]”

我們一直感興趣于盧瑟福為什么會(huì)選擇α粒子、怎么會(huì)想到用它去轟擊氦核?從而觀測到大角度散射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。也許從上面的這段話和以下的一些史實(shí)中我們能理出點(diǎn)線索來。

盧瑟福在1898 年研究放射性時(shí)發(fā)現(xiàn)α、β射線。1901～1903 年，盧瑟福精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)α射線在磁場中的偏轉(zhuǎn)方向確定其帶正電荷，接著又從電場和磁場的共同作用下，初步測出α粒子的荷質(zhì)比與氫離子同數(shù)量級(jí)，速度大約為光速的十分之一。盧瑟福又于1909 年通過對(duì)鐳射氣進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，經(jīng)光譜分析找到了其中含有氦的特征譜線，從而證明α粒子就是氦原子失去電子之后的氦離子(He2+)。

可見，盧瑟福對(duì)α粒子有長達(dá)十年的研究，與同時(shí)代其他科學(xué)家相比，他可能對(duì)α粒子性質(zhì)有更為深入的了解。另從荷質(zhì)比的數(shù)據(jù)可以推得，氦原子的質(zhì)量是氫原子的4倍，由此α粒子具有比β粒子大得多的動(dòng)量和能量。如果進(jìn)行散射實(shí)驗(yàn)，α射線可能會(huì)比β射線更易于精確地“搞清楚原子中造成這種偏折的電力的強(qiáng)度和分布”[3]。這些結(jié)合在一起，或許是盧瑟福特別“鐘情于”用α粒子進(jìn)行散射實(shí)驗(yàn)的原因。

當(dāng)然，盧瑟福長期利用α粒子進(jìn)行轟擊金箔等實(shí)驗(yàn)的另外一個(gè)原因，可能是基于一個(gè)很樸素的想法——要想了解原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，那就先把它轟開了再說。1917年底在盧瑟福給玻爾的信中寫道:“我試圖用這種方法把原子擊破”。1919年，盧瑟福在劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室判定氮原子在α粒子的轟擊下發(fā)生了核的轉(zhuǎn)變，從氮核中放出了氫核，他在論文中談到:“如果α粒子——或類似的投射粒子——有更大的能量可供實(shí)驗(yàn)的話，我們就可以期望擊破許多輕元素的核結(jié)構(gòu)。”盧瑟福的研究開辟了人工核反應(yīng)的道路。所以，當(dāng)他的學(xué)生馬斯登E.Marsden，1889-1970)1910年來到曼徹斯特大學(xué)后，盧瑟福讓他用α粒子去轟擊金箔(這類實(shí)驗(yàn)，盧瑟福和蓋革已經(jīng)做過多次，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，他們以往的觀測結(jié)果和湯姆遜的葡萄干蛋糕模型符合得很好)，或許盧瑟福的本意只是為他提供一個(gè)機(jī)會(huì)去熟悉或鍛煉基本的實(shí)驗(yàn)操作技能，以便于將來可以獨(dú)立開展研究工作。馬斯登有很高的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，這使他能在看似簡單重復(fù)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集過程中，捕捉到實(shí)驗(yàn)中的很多反常細(xì)節(jié)，盧瑟福給這位學(xué)生定的研究方向也依然是繼續(xù)研究α射線及用α粒子轟擊各類物質(zhì)，這也可以理解為是盧瑟福自己長期追求的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。在α粒子大角度散射實(shí)驗(yàn)完成后的1914年，馬斯登用閃爍鏡觀測α射線在空氣中的射程時(shí)，注意到出現(xiàn)了一些射程特別長的粒子的反常現(xiàn)象，引起盧瑟福的注意，在反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，實(shí)現(xiàn)了上面提到的人工核反應(yīng)。

可見，盧瑟福選擇α粒子作為轟擊金箔和研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“主力武器”，并非其突發(fā)奇想，而是其長期科學(xué)研究目標(biāo)引導(dǎo)下的必然結(jié)果。選擇這個(gè)具有相當(dāng)大的動(dòng)量并帶有正電荷的“武器”，就為大角度散射實(shí)驗(yàn)以及之后有核原子模型的提出奠定了極為重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1.3 “α射線中有一部分是經(jīng)單次碰撞后出現(xiàn)的大于直角的偏折”

這是在盧瑟福的論文[2]中， 作為重要發(fā)現(xiàn)提出來的。1909 年，蓋革和馬斯登也在對(duì)該實(shí)驗(yàn)的報(bào)道中提到:“一部分落到金屬板上的α粒子方向改變到這樣的地步，以致于重現(xiàn)在入射的一邊……入射的α粒子中每8000 個(gè)粒子有一個(gè)要反射回來”[4]。

這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果是無法用J.J.湯姆生的“葡萄干面包”原子模型和散射理論解釋的。即使用湯姆生后來提出的多次散射理論，也不足以說明這一反常現(xiàn)象，因?yàn)楸R瑟福認(rèn)為“如果把大角度偏折看成是多次小偏折累積造成的，則α粒子的大角度偏折也應(yīng)按預(yù)期的概率規(guī)律有一定分布， (但實(shí)際上)并不服從這個(gè)概率規(guī)律”，且“經(jīng)第二次碰撞產(chǎn)生大角度偏折的機(jī)會(huì)是極為微小的，與1/8000 的實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果相去甚遠(yuǎn)”[2]。

正是有了α粒子大角度散射的實(shí)驗(yàn)事實(shí)作為依據(jù)，盧瑟福在論文[2]中確認(rèn)了“正電荷集中在原子中心”， 并提出了有核原子模型(原子結(jié)構(gòu)的行星模型)。

基于上述分析，我們認(rèn)為α粒子大角度散射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)才是α粒子散射實(shí)驗(yàn)的真正歷史價(jià)值所在。

2關(guān)于盧瑟福及α粒子散射實(shí)驗(yàn)的教學(xué)建議

2.1避免兩個(gè)認(rèn)識(shí)誤區(qū)

(1)誤區(qū)一:先有原子結(jié)構(gòu)的行星模型，再設(shè)計(jì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

這是在教學(xué)中要嚴(yán)肅避免的一個(gè)誤區(qū)，若處理不當(dāng)，極易給學(xué)生留下將科學(xué)家“神化”的印象，這會(huì)將科學(xué)教育引向歧路。一個(gè)科學(xué)模型的提出，往往是建立在一定的實(shí)驗(yàn)證據(jù)基礎(chǔ)上的，并非簡單的憑空捏造或想象。按誤區(qū)的提法進(jìn)行教學(xué)，很容易給學(xué)生造成是因?yàn)橄氲搅诵行悄Ｐ停龠M(jìn)行有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，做出了三個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(即直線穿過、少數(shù)偏轉(zhuǎn)、極個(gè)別彈回)，從而驗(yàn)證模型正確的誤解，這是違背歷史事實(shí)和實(shí)驗(yàn)邏輯的。

α粒子直線穿過、少數(shù)偏轉(zhuǎn)是“葡萄干面包模型”也能解釋的，是不足以引發(fā)盧瑟福推翻老師湯姆孫的理論而另起爐灶的，只有極個(gè)別直接彈回的現(xiàn)象才最終導(dǎo)致原子結(jié)構(gòu)“行星模型”的提出。所以，“行星模型”的提出，主要是為了解釋?duì)亮Ｗ哟蠼嵌壬⑸洮F(xiàn)象。鑒于尊重史實(shí)，筆者建議，將中學(xué)教材中的“α粒子散射實(shí)驗(yàn)”更名為“α粒子大角度散射實(shí)驗(yàn)”，或許能有助于認(rèn)清歷史并盡可能地避免教學(xué)誤區(qū)。

(2)誤區(qū)二:盧瑟福是第一個(gè)提出有核原子模型的科學(xué)家。

這也是一個(gè)比較常見的認(rèn)識(shí)誤區(qū)。在人類認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的歷程中，在盧瑟福提出原子有核模型之前，還有不少科學(xué)家，提出過核的概念。比較著名的有1901 年佩蘭(Perrin)在論文中曾假設(shè)過類似的模型，即原子有正核，外面圍繞著負(fù)電子。還有長崗半太郎在1903 年根據(jù)麥克斯韋的土星衛(wèi)環(huán)理論推測原子的結(jié)構(gòu)，也提出了原子核的觀念，1904年，他在論文《用粒子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)闡明線光譜、帶光譜和放射性》中提到:“粒子系統(tǒng)，是由很多質(zhì)量相同的質(zhì)點(diǎn)，聯(lián)接成圓……在圓中心有一大質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)對(duì)其他質(zhì)點(diǎn)以同樣定律的力吸引”，他認(rèn)為正負(fù)電荷是不能相互滲透的，于是提出了一種他稱之為“土星模型”的結(jié)構(gòu)——即圍繞帶正電的核心有電子環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的原子模型。等等。這些都對(duì)盧瑟福提出自己的有核原子模型有重要的啟發(fā)作用。這些模型提出后，并未引起大家的更多關(guān)注或認(rèn)可，與它們?nèi)狈Ρ匾膶?shí)驗(yàn)依據(jù)、多為猜想和假設(shè)有關(guān)。

盧瑟福與上述幾位科學(xué)家的最大區(qū)別在于，原子結(jié)構(gòu)的“行星模型”是有α粒子大角度散射實(shí)驗(yàn)的事實(shí)作為依據(jù)，他的實(shí)驗(yàn)方法和相關(guān)理論為正確研究原子結(jié)構(gòu)開辟了一條新的途徑，“行星模型”已不是一般意義上的假說或猜想。雖然，這個(gè)理論也是直到1914—1915年，經(jīng)過更多科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)和理論驗(yàn)證，才最終得到了世人的公認(rèn)，但從此將人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)帶入了有核的全新階段，這是盧瑟福和他的助手及α粒子大角度散射實(shí)驗(yàn)在科學(xué)史上的偉大功績所在。

因此，筆者建議在教學(xué)中，教師應(yīng)該更多地引導(dǎo)學(xué)生去認(rèn)識(shí):實(shí)驗(yàn)對(duì)于科學(xué)發(fā)展的意義和作用;科學(xué)家和科學(xué)研究更重實(shí)證。少去關(guān)注無謂的誰是第一發(fā)現(xiàn)者。

2.2 關(guān)注體會(huì)科學(xué)精神

2.2.1關(guān)注盧瑟福在α粒子大角度散射實(shí)驗(yàn)中的角色與作用

通過史料，我們很容易發(fā)現(xiàn)，α粒子散射實(shí)驗(yàn)的具體操作者和大角度散射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者，實(shí)際是盧瑟福的助手蓋革和學(xué)生馬斯登，那么，盧瑟福究竟起了什么作用呢?

蓋革和馬斯登在論文發(fā)表后又重新回到小角度散射實(shí)驗(yàn)的研究工作，盧瑟福則緊緊抓住這個(gè)容易被人們忽略的反常現(xiàn)象，敏銳地認(rèn)識(shí)到“這一結(jié)果對(duì)于了解原子周圍或原子內(nèi)部的電場強(qiáng)度，帶來了巨大光明”，“原子處于一個(gè)強(qiáng)電場中的結(jié)論是不可避免的，否則α粒子通過象一個(gè)分子直徑這樣小的距離而改變方向是不可能的”[2]。1909～1911年，盧瑟福從原子內(nèi)存在強(qiáng)電場的角度，深入探索α粒子大角度散射的原因，從理論上探討了能夠產(chǎn)生α 粒子大角度偏折的簡單原子模型，再將理論推導(dǎo)的計(jì)算結(jié)果與當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，并由蓋革和馬斯登進(jìn)一步對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)作了許多改進(jìn)，測定了大量的數(shù)據(jù)，證實(shí)了盧瑟福的理論。

從中不難看出，對(duì)于異常現(xiàn)象關(guān)注的直覺敏銳性，對(duì)于細(xì)節(jié)研究的嚴(yán)謹(jǐn)實(shí)驗(yàn)態(tài)度，對(duì)于經(jīng)典理論敢于突破束縛、進(jìn)行開創(chuàng)性工作的能力，是盧瑟福對(duì)于α粒子大角度散射實(shí)驗(yàn)和行星模型提出的貢獻(xiàn)所在，實(shí)至名歸。而科研團(tuán)隊(duì)之間的配合和成員的科學(xué)素養(yǎng)也是至關(guān)重要的，沒有蓋革和馬斯登在實(shí)驗(yàn)上的細(xì)致、敏銳、務(wù)實(shí)和創(chuàng)造能力，這一切同樣難以獲得。

盧瑟福知道自己的原子模型還很不完善，主要是對(duì)于原子穩(wěn)定性問題和原子線光譜還不能作出很好的解釋，在論文一開始， 就申明:“在現(xiàn)階段，不必考慮所提原子的穩(wěn)定性，因?yàn)轱@然這將取決于原子的細(xì)微結(jié)構(gòu)和帶電的組成部分的運(yùn)動(dòng)[2]”， 謙虛地承認(rèn)自己模型的不足。1911 年4 月11 日盧瑟福在給友人波爾特武德(Boltwood)的信中寫道:“希望在一、二年內(nèi)能對(duì)原子構(gòu)造說出一些更明確的見解”。反映出一個(gè)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

2.2.2 了解當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境

19 世紀(jì)末到20世紀(jì)初，從事這項(xiàng)研究的科學(xué)家們，既沒有現(xiàn)成的史料可查，更沒有足夠完善的理論可循，而且他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里使用的儀器也是極其簡陋的，即使是在赫赫有名的英國卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，儀器也多為自創(chuàng)自制。他們進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)和觀察，收集數(shù)據(jù)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，尋找規(guī)律，在未知的世界里探索前進(jìn)。他們“用大的錫罐頭皮做β和γ射線靜電計(jì)，在它上面焊上更小些的煙草盒或香煙盒。因?yàn)闆]有琥珀，用硫磺作絕緣材料。為了觀測α粒子散射到閃鋅屏上的點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)者用肉眼通過顯微鏡一個(gè)個(gè)計(jì)數(shù)，他們要在暗室中長時(shí)間地觀測閃光，記錄數(shù)據(jù)，需要實(shí)驗(yàn)者有足夠的耐心和毅力，并要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，確保實(shí)驗(yàn)觀察和記錄的準(zhǔn)確性。

隨著科技的發(fā)展，目前的實(shí)驗(yàn)條件大為改觀，人類創(chuàng)造了大量新的技術(shù)和儀器，但實(shí)驗(yàn)者的科學(xué)精神依然是保證實(shí)驗(yàn)成功和可靠性的重要保證。

在α粒子大角度散射實(shí)驗(yàn)背后有很多值得整理的教育教學(xué)素材。在科學(xué)教學(xué)中，除了知識(shí)，還應(yīng)給帶來學(xué)生更多的科學(xué)精神啟迪和研究方法感悟，這或許就是上海二期課改新教材將這部分內(nèi)容設(shè)置在高一第一章的用意所在。

2009年，α粒子大角度散射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)100周年，謹(jǐn)作此文以紀(jì)念之，重溫歷史，激勵(lì)未來。因筆者才疏學(xué)淺，難免有表達(dá)不當(dāng)之處，請(qǐng)同行們不吝指正。

參考文獻(xiàn):

[1]物理學(xué)史[M].北京:清華大學(xué)出版社.

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[3]盧瑟福.《放射性物質(zhì)及其輻射》[M].1913.

[4]H.Geiger and E.Marsden.Proc，Roy.Soc.A82(1909)p.495.