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卢瑟福模型

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卢瑟福模型示意图
卢瑟福模型示意图

卢瑟福模型(Rutherford model)是英国物理大师欧内斯特·卢瑟福创立的原子模型。1909年,卢瑟福领导设计与完成卢瑟福散射实验,其证实了在原子中心部分有一个带正电、带质量的原子核,因此约瑟夫·汤姆孙主张的梅子布丁模型被彻底推翻。卢瑟福根据他的实验结果设计出一种新模型,称为“卢瑟福模型”,其拥有几个重要的特色:大多数的质量和正电荷,都集中于位于中心区域、半径极小的原子核,而电子则环绕在原子核的外面。卢瑟福模型是一种核子模型,在卢瑟福散射实验里,主角是原子核,而电子并不重要,因此卢瑟福不能空口无凭地给出电子的排列方式,也无法用这模型对于化学结合、元素列表、原子谱线给出解释。[1][2]:51-53[3]:14

模型特色

  • 在卢瑟福散射里,原子的电子云不会影响ɑ粒子散射运动。
  • 原子所有的正电荷,都集中于原子中心的很小区域内,称为“原子核”。原子核的库仑位势造成了阿尔法粒子的散射。
  • 原子量大的原子(像原子),称为重原子,其质量几乎全部都聚集于原子核。实验结果的分析,显示出高速度阿尔法粒子的散射并没有使原子核移动。与电子的动量相比,高速度阿尔法粒子拥有很大的动量,可是比较重原子又小了很多。这事实建议大多数原子的质量都聚集于原子核。

实验证据

英国物理大师欧内斯特·卢瑟福
英国物理大师欧内斯特·卢瑟福

卢瑟福散射实验使用阿尔法粒子来探测原子的结构。1909年,在恩师卢瑟福的指导下,汉斯·盖革欧内斯特·马斯登发射阿尔法粒子射束于白金箔纸。[注 1]在那时代,原子被认为类比于梅子布丁(物理学家汤姆孙提出的),负电荷(梅子)分散于正电荷的圆球(布丁)。假若这梅子布丁模型是正确的,由于正电荷完全散开,而不是集中于一个原子核,库仑位势的变化不会很大,通过这位势的阿尔法粒子,其移动方向应该只会有小角度偏差。[4][2]:51-53

然而,他们得到的实验结果非常诡异,大约每8000个阿尔法粒子,就有一个粒子的移动方向会有很大角度的偏差(超过90°);而其它粒子都直直地冲过白金箔纸,[注 1]没有任何偏差。从这结果,卢瑟福断定,大多数的质量和正电荷,都集中于一个很小的区域(原子核);电子则包围在区域的外面。当一个(正价)阿尔法粒子移动到非常接近原子核,它会被很强烈的排斥,以大角度反弹。原子核的小尺寸解释了为什么只有少数的阿尔法粒子被这样排斥。从纯属对称性和审美性的观点,这个质量与电荷集中的区域,应该处于原子中心。[4][2]:51-53

1911年,卢瑟福提出他自己的物理模型,诠释这些突如其来的答案。原子,是由一个带正电荷的中心区域(这就是现代的原子核,虽然卢瑟福没有想到这术语),和环绕在这区域外面的电子云,所构成的。[5][2]:51-53[2]:51-53

能量守恒定律,卢瑟福推理,知道阿尔法粒子的速度,就可以知道阿尔法粒子的撞击能够达到与原子核的最小距离。稍加计算,他得到金原子的原子核半径必小于(真实值只是这数值的五分之一)。金原子的半径大约是。这是一个令人惊讶的结果,所有的正电荷都聚集于原子中心一个很小区域,其半径小于三千分之一原子半径!

卢瑟福模型并没有给予电子的环绕运动任何结构。卢瑟福在1911年论文里,提到了长冈半太郎半太郎模型英语Nagaoka model。长冈半太郎建议电子的轨道就像土星环,这是从詹姆斯·麦克斯韦的土星环稳定理论获得的灵感。[6][7]:22-23

卢瑟福更进一步地建议原子中间的单位电荷数目可能与其原子量成比例(大约一半)。那时,金的原子量估计为 197 amu。所以,卢瑟福猜想单位电荷数目是98个单位电荷左右。这数子与金原子的原子序79(那个年代,在周期表的位置次序)相差甚远,卢瑟福并没有正式地建议两个数量可能完全一样。

后续模型

很快地,学者们发觉卢瑟福模型,虽然拥有一些引人欣赏的性质,但也引起一个很严重的问题。由于卢瑟福不能空口无凭地给出电子的排列方式,也无法用这模型对于化学结合、元素列表、原子谱线给出解释。为了解决这问题,必须弥补卢瑟福模型的不足,因此,尼尔斯·玻尔认为必须明确设计出电子的轨域运动规则,他发表了玻尔模型。不久以后,卢瑟福模型就被更为先进的玻尔模型取代了。这模型引用了一些早期量子力学的实验结果来设定电子的物理行为,限制电子的轨道为平面的圆形轨道。将亨利·莫塞莱的研究结果加以延伸,玻尔认为,原子核的单位电荷数目与原子序有直接的关系。[2]:53-57由于玻尔模型是卢瑟福模型的改良,有些物理学书本将两个模型合并,将玻尔模型称为“卢瑟福-玻尔模型”。

参阅

注释

  1. ^ 1.0 1.1 这个计算粒子大角度散射数量的特别实验使用的是白金箔纸。[4]

参考文献

  1. ^ 卢瑟福, 欧内斯特, The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom, Philosophical Magazine, May 1911, 21: p. 669–688, doi:10.1080/14786440508637080 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Kragh, Helge. Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century Reprint. Princeton University Press. 2002. ISBN 978-0691095523. 
  3. ^ Smirnov, Boris M., Physics of Atoms and Ions, Springer: 14–21, 2003, ISBN 038795550X 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 Geiger, Hans; Marsden, Ernest, On a Diffuse Reflection of the α-Particles, Proceedings of the Royal Society, 1909, 82 (A): p. 495–500, (原始内容存档于2008-04-24), Three different determinations showed that of the incident α-particles about 1 in 8000 was reflected [by the platinum reflector] 
  5. ^ 卢瑟福, 欧内斯特. The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom. Philosophical Magazine. May 1911, 21: p. 669–688. 
  6. ^ James Clerk Maxwell on the nature of Saturn's rings, JOC/EFR, 2006年3月 [2008-12-20] 
  7. ^ Greenberger, D.; Hentschel, K.; Weinert, F. (编), Compendium of Quantum Physics: Concepts, Experiments, History and Philosophy 2009th Edition, Springer, 2009, ISBN 978-3540706229 
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