五、卢瑟福在实验的基础上运用类比方法提出原子结构的行星模

型

卢瑟福提出行星模型的过程是这样的： 1．精心设计实验

卢瑟福为了研究原子结构，精心设计了著名的α粒子散射实验．整个

实验设计的非常巧妙，它不仅实验目的明确，思考周密，而且还能抓住关键，出奇制胜．α粒子散射实验的目的是为了探明原子内部电子和其它粒子的分布状况，以检验 J·J 汤姆逊提出的原子的正电子球模型，即认为正电荷均匀地分布在整个球体中，而带负电荷的电子则一粒粒地散布在里面．他认为，要实现这一实验目的，唯一的方法是打碎原子．而为了打碎原子，他又选择了α粒子作为“炮弹”．他还对实验的过程和结果作出预测，认为当α粒子穿过原子时，有的会发生偏转，有的会反射回来，这是他经过周密思考提出来的实验设计的基本思想．根据这一实验设计思想，卢瑟福精心设计了巧妙的实验装置，其装置如图．这个装置共分三部分．实

验源：由放射源 R 放射出α粒子流．实验对象是一张极薄的金箔，作为α 粒子轰击的目标；实验效果显示装置是一闪烁屏 S，用以收集实验数据，当一个α粒子打在屏 S 上时，屏上就发出一个脉冲，荧光屏 S 与放大镜 M 组合在一起，可以调节不同的角度，对被散射的α粒子进行观察．

实验观察的数据结果

按照汤姆逊的正电子球模型，α粒子是应该很容易地穿过金箔中的原子，不应该发生大角度散射现象．但是实验的结果表明，当α粒子射向一片极薄的金属箔时，大多数α粒子顺利穿过原子，一部分发生了偏折，极少数被弹回来．实验测得，散射角大于 90°的比例为 1/8000，而根据汤姆逊模型算出的结果应该是 1/103500，这一结果使得当时习惯于用汤姆逊模型来思考问题的科学家们大为惊讶．

分析实验结果得出结论

卢瑟福对实验数据进行了严密的数学计算和理论分析，他利用长冈半太郎的土星模型进行计算，得出的结果与实验值基本相符．于是卢瑟福得出结论：在原子内大部分地方没有大质量的粒子，所以大多数α粒子能顺

利地穿过；在原子内部有一体积极小而质量极大的核，少数α粒子就是和它发生了强烈的相互作用，所以才反弹回来，形成大角散射；另一些α粒子之所以发生偏转，是因为在靠近质量集中的地方通过而受到影响．这一结果否定了卢瑟福的导师汤姆逊所提出的正电子球原子模型．4．运用类比方法，提出原子结构的行星模型

卢瑟福根据α粒子的散射实验事实认为，必须放弃汤姆逊的原子模型．他认为，原子是由一个原子核和核外电子组成的，原子核所占体积甚小（约十万分之一），但却具有原子总质量的 99.97％．这同太阳系的情况十分相似，太阳作为太阳系的核心，它具有太阳系总质量的 99.87％，但所占空间也极小．并且，已经知道原子核与电子之间的电吸引力（库仑

定律F = K QQ' ）与太阳和行星之间的吸引力（万有引力F = G mm' ）

r 2 r 2

的数学形式也是相似的，均与距离的平方成反比．于是卢瑟福作出类比：既然太阳系是由处于核心的太阳和环绕它运行的一系列行星所构成，那么，原子不是也宛如太阳系吗？它也可能是由带正电荷的原子核和环绕它运行的带负电的电子构成的．这就是卢瑟福于 1911 年正式提出的原子结构的“行星模型”，这个类比推理可用下表表示：

太阳与行星之

太阳系太阳体积甚小甚大

太阳质量

（占 99.87 ％）

行星质量甚小

间的引力

mm'

F = G r 2

太阳系是由行星环绕太阳构成的

原子核与电子之

原子核

原子体积甚小

原子核质量甚大（占99.97 ％）

电子质量甚小

间的引力 ?

QQ'

F = K r 2

所以，原子可能是由电子环绕原子核构成的．

原子结构的行星模型的现代表述：一切原子都有一个核，它的半径小于 10−12 厘米，原子核带正电，它的电荷是+Ze，原子的半径为 10−8 厘米，电子的位置必须扩展到以核为中心，以 10−8 厘米为半径的球内或球面上；为了构成平衡电子必须像行星一样绕核旋转着．

进一步的实验验证

1911 年到 1913 年期间，盖革和马斯顿在卢瑟福的指导下继续做了一

系列α粒子的散射实验，得到的结果为：“整个实验记下了 10 万次以上的闪烁，我们所有的研究结果都与卢瑟福教授的理论符合得很好，为下述假说提供了有力的证据，即原子中心有很强的电荷，这个中心比原子直径要小得多．”

卢瑟福的原子行星模型的局限性

卢瑟福的原子行星模型取得很大的成功，但是随着物理学的发展，新的实验事实的发现，也表现出了很大的局限性．首先，根据经典电磁理论，电子的绕核运动是加速的，它应该产生一个和它运动频率相同的电磁波，连续地辐射电磁能量，这样电子轨道半径将随着能量的减少而缩减，最终落在原子核上，这样原子将被破坏而不复存在，但事实并非如此；其次，

由于电子绕核频率的改变，这样它应该向外辐射连续光谱，这与所观察到的原子的线光谱相矛盾；再次，根据卢瑟福原子行星模型可以计算出，原子的“寿命”仅为 10−12 秒，这与原子是一个稳定的系统的事实相矛盾的．这些矛盾的存在，不仅表明卢瑟福的原子模型还不完善，而且又一次预示着，对原子世界需要一个不同于经典物理学的新理论．