α 與 β 粒子被物質的散射,及原子的結構
原子幾乎空無一物,質量與電荷全擠在一個微小的中央核裡。
向一片薄薄的金箔發射極小的「子彈」,幾乎全部穿了過去——可偏偏有頑固的少數被原路彈了回來,我們就是這樣找到了原子的核。
核心想法
二十世紀初,人人都把原子想像成一團軟軟的、正電荷均勻分布的球,電子像葡萄乾一樣點綴其中——一種「葡萄乾布丁」。拉塞福的團隊這樣去檢驗它:把 α 粒子(又快、又重、帶正電的小顆粒)射向一片只有幾千個原子那麼厚的金箔。
若原子真像布丁,那每一顆粒子都該至多被輕輕一推、徑直穿過。然而,竟有少數被大幅偏折——有些幾乎原路返回。要把一顆又快又重的粒子彈回去,唯一的辦法,就是它撞上了某個又小、又硬、又帶強電的東西。拉塞福由此斷定:原子幾乎全部的質量、以及全部的正電荷,都坐落在中央一個微小的核裡,電子則遠在其外,而這之間幾乎全是空蕩蕩的空間。
它是如何誕生的
在曼徹斯特大學,拉塞福讓漢斯·蓋革和一位年輕的學生歐尼斯特·馬斯登去數那些微弱的閃光——α 粒子擊中螢幕時一閃而過,這是在暗室裡進行的、耐心而磨眼的活兒。1909 年,馬斯登幾乎是順帶地查看:有沒有粒子朝著源的方向折返回來。令所有人震驚的是,真有幾顆。
拉塞福把這份驚訝反覆掂量了一年多。他後來說,這「大概是我這輩子遇到過的最不可思議的事——幾乎就像你朝一張薄紙射出一發 15 英吋的砲彈,它卻彈回來打中了你」。到 1911 年,他備齊了數學:與一個集中的中央電荷之間的單次近距離擦過,便能把一顆 α 粒子甩向後方,而各個角度上的粒子數目,遵循著他能寫下來的一條精確法則。
它為何重要
這是原子擁有「中心」的時刻。有核圖像取代了那團毫無特徵的布丁,成為其後一切物質物理的根基——它直接通向兩年後波耳的模型,並最終通向質子、中子的發現與核能。它還確立了一種至今仍在推動發現的方法:想知道某樣東西由什麼構成,就向它發射粒子,再研究它們如何被散射。
一個可以想像的畫面
想像你在一間黑屋裡,朝一個看不見的物體一遍遍滾動玻璃彈珠,記錄每一顆彈向哪個方向。多數都徑直滾了過去,告訴你屋裡大半是空的。但每隔一陣,總有一顆猛地反彈回來——根據這種事發生的頻率,以及反彈的角度,你就能推斷出:屋子正中某處,有一根又小、又硬、又重的樁,哪怕你從未直接看見它。α 粒子就是那些彈珠,原子核就是那根樁。
它的位置
一個世紀以前,道爾頓重新提出物質由原子構成,而 J·J·湯姆森又剛剛發現了電子——但原子仍被想像成一團軟軟的、沒有結構的東西。拉塞福給了它「建築」:一個堅硬的中心,與一片廣袤的空蕩。然而,他的有核原子按經典物理本該頃刻坍塌;是尼爾斯·波耳在 1913 年,用嶄新的量子觀念,讓環繞的電子穩定下來。從拉塞福的核出發,一條條線通向質子、中子,以及那套日後揭開內部夸克的整套散射方法。
It is well known that the α and the β particles suffer deflexions from their rectilinear paths by encounters with atoms of matter.
If the high velocity and mass of the α-particle be taken into account, it seems surprising that some of the α-particles, as the experiment shows, can be turned within a layer of 6 × 10⁻⁵ cm. of gold through an angle of 90°, and even more.
It seems reasonable to suppose that the deflexion through a large angle is due to a single atomic encounter, for the chance of a second encounter of a kind to produce a large deflexion must in most cases be exceedingly small.
A simple calculation shows that the atom must be a seat of an intense electric field in order to produce such a large deflexion at a single encounter.
Considering the evidence as a whole, it seems simplest to suppose that the atom contains a central charge distributed through a very small volume, and that the large single deflexions are due to the central charge as a whole, and not to its constituents.