α粒子散射实验是如何揭示原子核结构的?
答:α粒子散射实验是卢瑟福在1911年设计的一项经典实验,通过观察α粒子与金箔的相互作用,揭示了原子核的存在和结构。
(一)实验背景
当时,汤姆孙的“葡萄干布丁模型”认为原子是均匀分布正电荷的球体,电子镶嵌其中。然而,这一模型无法解释某些实验现象。卢瑟福为了验证汤姆孙模型,设计了这个实验。
(二)实验过程
实验中,卢瑟福和他的助手用天然放射性物质放出的α粒子轰击极薄的金箔,并使用荧光屏观察α粒子的散射情况。他们发现:
1. 大部分α粒子几乎直线穿过金箔,表明原子内部大部分是空的。
2. 少数α粒子发生小角度偏转,说明原子内部存在一定的正电荷分布。
3. 极少数α粒子(约1/8000)被大角度散射,甚至反弹回来,这表明原子内部存在一个极小但质量和正电荷高度集中的区域。
(三)实验结论
根据这些现象,卢瑟福提出了原子的核式结构模型:
1. 原子的质量和正电荷几乎全部集中在原子核中,原子核体积很小。
2. 电子围绕原子核运动,类似于行星围绕太阳。
3. 原子核的存在解释了α粒子的大角度散射现象:只有当α粒子接近原子核时,才会受到强大的库仑斥力而发生大角度偏转。
(四)科学意义
α粒子散射实验推翻了汤姆孙的原子模型,确立了原子的核式结构模型,为现代原子物理学奠定了基础。这一实验还揭示了原子核的物理特性,如质量和电荷分布,对后续的核物理学研究产生了深远影响。