α 与 β 粒子被物质的散射,及原子的结构
原子几乎空无一物,质量与电荷全挤在一个微小的中央核里。
向一片薄薄的金箔发射极小的「子弹」,几乎全部穿了过去——可偏偏有顽固的少数被原路弹了回来,我们就是这样找到了原子的核。
核心想法
二十世纪初,人人都把原子想象成一团软软的、正电荷均匀分布的球,电子像葡萄干一样点缀其中——一种「葡萄干布丁」。卢瑟福的团队这样去检验它:把 α 粒子(又快、又重、带正电的小颗粒)射向一片只有几千个原子那么厚的金箔。
若原子真像布丁,那每一颗粒子都该至多被轻轻一推、径直穿过。然而,竟有少数被大幅偏折——有些几乎原路返回。要把一颗又快又重的粒子弹回去,唯一的办法,就是它撞上了某个又小、又硬、又带强电的东西。卢瑟福由此断定:原子几乎全部的质量、以及全部的正电荷,都坐落在中央一个微小的核里,电子则远在其外,而这之间几乎全是空荡荡的空间。
它是如何诞生的
在曼彻斯特大学,卢瑟福让汉斯·盖革和一位年轻的学生欧内斯特·马斯登去数那些微弱的闪光——α 粒子击中屏幕时一闪而过,这是在暗室里进行的、耐心而磨眼的活儿。1909 年,马斯登几乎是顺带地查看:有没有粒子朝着源的方向折返回来。令所有人震惊的是,真有几颗。
卢瑟福把这份惊讶反复掂量了一年多。他后来说,这「大概是我这辈子遇到过的最不可思议的事——几乎就像你朝一张薄纸射出一发 15 英寸的炮弹,它却弹回来打中了你」。到 1911 年,他备齐了数学:与一个集中的中央电荷之间的单次近距离擦过,便能把一颗 α 粒子甩向后方,而各个角度上的粒子数目,遵循着他能写下来的一条精确法则。
它为何重要
这是原子拥有「中心」的时刻。有核图像取代了那团毫无特征的布丁,成为其后一切物质物理的根基——它直接通向两年后玻尔的模型,并最终通向质子、中子的发现与核能。它还确立了一种至今仍在推动发现的方法:想知道某样东西由什么构成,就向它发射粒子,再研究它们如何被散射。
一个可以想象的画面
想象你在一间黑屋里,朝一个看不见的物体一遍遍滚动玻璃弹珠,记录每一颗弹向哪个方向。多数都径直滚了过去,告诉你屋里大半是空的。但每隔一阵,总有一颗猛地反弹回来——根据这种事发生的频率,以及反弹的角度,你就能推断出:屋子正中某处,有一根又小、又硬、又重的桩,哪怕你从未直接看见它。α 粒子就是那些弹珠,原子核就是那根桩。
它的位置
一个世纪以前,道尔顿重新提出物质由原子构成,而 J·J·汤姆孙又刚刚发现了电子——但原子仍被想象成一团软软的、没有结构的东西。卢瑟福给了它「建筑」:一个坚硬的中心,与一片广袤的空荡。然而,他的有核原子按经典物理本该顷刻坍塌;是尼尔斯·玻尔在 1913 年,用崭新的量子观念,让环绕的电子稳定下来。从卢瑟福的核出发,一条条线通向质子、中子,以及那套日后揭开内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.