卢瑟福散射

✍ dations ◷ 2025-10-03 19:08:40 #散射,量子力学

在原子物理学里,卢瑟福散射(英语:Rutherford scattering)指的是带电粒子因为库仑相对作用而进行的一种弹性散射(英语:elastic scattering)。这种散射实验是由欧内斯特·卢瑟福领队设计与研究,成功地于 1909 年证实在原子的中心有个原子核,也导致卢瑟福模型的创立,及后来玻尔模型的提出。应用卢瑟福散射的技术与理论,卢瑟福背散射(Rutherford backscattering)是一种专门分析材料的技术。卢瑟福散射有时也被称为库仑散射,因为它涉及的位势乃库仑位势。深度非弹性散射(deep inelastic scattering)也是一种类似的散射,在 60 年代,常用来探测原子核的内部。

α粒子散射的实验完成于1909年。在那时代,原子被认为类比于梅子布丁(物理学家约瑟夫·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。:51-53

在卢瑟福的指导下,汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登发射α粒子射束来轰击只有几个原子厚度的薄白金箔纸。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(甚至超过 90°);而其它粒子都直直地通过白金箔纸,偏差几乎在2°到3°以内,甚至几乎没有偏差。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(这个区域后来被称作“原子核”);电子则包围在区域的外面。当一个(正价)α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极少数的α粒子被这样排斥。:51-53

卢瑟福对这奇异的结果感到非常惊异。他后来常说:“这是我一生中最难以置信的事件…如同你用15吋巨炮朝着一张卫生纸射击,而炮弹却被反弹回来而打到你自己一般地难以置信。”:51-53

卢瑟福计算出原子核的尺寸应该小于 10 14 m {\displaystyle 10^{-14}m\,\!} 。至于其具体的数值,卢瑟福无法从这实验决定出来。关于这一部分,请参阅后面的“原子核最大尺寸”一节。

卢瑟福计算出来的微分截面是

其中, σ {\displaystyle \sigma \,\!} 是截面, Ω {\displaystyle \Omega \,\!} 是立体角, q {\displaystyle q\,\!} 是阿尔法粒子的电荷量, Q {\displaystyle Q\,\!} 是散射体的电荷量, ϵ 0 {\displaystyle \epsilon _{0}\,\!} 是真空电容率, E {\displaystyle E\,\!} 是能量, θ {\displaystyle \theta \,\!} 是散射角度。

假设阿尔法粒子正面碰撞于原子核。阿尔法粒子所有的动能( m v 0 2 / 2 {\displaystyle mv_{0}^{2}/2\,\!} ),在碰撞点,都被转换为势能。在那一刹那,阿尔法粒子暂时是停止的。从阿尔法粒子到原子核中心的距离 b {\displaystyle b\,\!} 是原子核最大尺寸。应用库仑定律,

其中, m {\displaystyle m\,\!} 是质量, v 0 {\displaystyle v_{0}\,\!} 是初始速度。

重新编排,

阿尔法粒子的质量是 m = 6.7 × 10 27   k g {\displaystyle m=6.7\times 10^{-27}\ kg\,\!} ,电荷量是 q = 2 × ( 1.6 × 10 19 )   C {\displaystyle q=2\times (1.6\times 10^{-19})\ C\,\!} ,初始速度是 v 0 = 2 × 10 7   m / s {\displaystyle v_{0}=2\times 10^{7}\ m/s\,\!} ,金的电荷量是 Q = 79 × ( 1.6 × 10 19 )   C {\displaystyle Q=79\times (1.6\times 10^{-19})\ C\,\!} 。将这些数值代入方程,可以得到撞击参数 b = 2.7 × 10 14   m {\displaystyle b=2.7\times 10^{-14}\ m\,\!} (真实半径是 7.3 × 10 15   m {\displaystyle 7.3\times 10^{-15}\ m\,\!} )。这些实验无法得到真实半径,因为阿尔法粒子没有足够的能量撞入 27   f m {\displaystyle 27\ fm\,\!} 半径内。卢瑟福知道这问题。他也知道,假若阿尔法粒子真能撞至 7.3   f m {\displaystyle 7.3\ fm\,\!} 半径,直接地击中金原子核,那么,在高撞击角度(最小撞击参数 b {\displaystyle b\,\!} ),由于位势不再是库仑位势,实验得到的散射曲线的样子会从双曲线改变为别种曲线。卢瑟福没有观察到别种曲线,显示出金原子核并没有被击中。所以,卢瑟福只能确定金原子核的半径小于 27   f m {\displaystyle 27\ fm\,\!}

1919 年,在卢瑟福实验室进行的另一个非常类似的实验,物理学家发射阿尔法粒子于氢原子核,观察到散射曲线显著地偏离双曲线,意示位势不再是库仑位势。从实验数据,物理学家得到撞击参数或最近离距(closest approach)大约为 3.5   f m {\displaystyle 3.5\ fm\,\!} 。更进一步的研究,在卢瑟福实验室,发射阿尔法粒子于氮原子核和氧原子核,得到的结果,使得詹姆斯·查德威克和工作同仁确信,原子核内的作用力不同于库仑斥力。

现今,应用这些年累积的散射原理与技术,卢瑟福背散射谱学能够侦侧半导体内的重金属杂质。实际上,这技术也是第一个在月球使用的实地分析技术。在勘察者任务(surveyor mission)降落于月球表面后,卢瑟福背散射谱学实验被用来收集地质资料。

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