2．卢瑟福的原子模型

物理学家卢瑟福(ErnestRutherford，1871—1937)出生于新西兰。1895年他来到剑桥大学在汤姆孙领导的卡文迪什实验室当研究生。1907 年卢瑟福主持了曼彻斯特大学实验室。自从天然放射性现象发现后，经过多年的努力，他终于证实α粒子是带两个正电荷的氦离子。卢瑟福决定用这种新粒子当炮弹来轰击原子，以探索原子的内部结构。他和年轻的德国物理学家盖革(Hans Geiger，1882—1945)、青年学生马斯顿(ErnestMarsden，1889

—)一起作α粒子散射实验。他们用镭作放射源，进行α粒子穿射金属箔的实验，发现入射束中多数粒子仍保持其原来的方向，但也有不少粒子偏转了很大角度。他们精心测量了极少的大角度散射的粒子，结果发现约有八千分之一的α粒子偏转角度超过 90°，甚至有反弹回来的。通过对这些实验结果的思考，使卢瑟福得到这样的印象：“它是如此难以令人置信，正好象你用十五英寸的枪射击一张薄纸，而子弹居然反弹回来把你打中了一样。”[3]这个结果与汤姆孙模型的预言完全不符。按照汤姆孙模型，原子的质量和正电荷几乎是均匀地分布在整个原子中，在这种情形下，入射粒子的电荷与原子内部的电荷之间的相互作用绝不会强到使α粒子离开其原来的运动方向发生大角度偏折。卢瑟福意识到这种大角散射也不可能是由于很多小偏离的累积效应。1910 年底，卢瑟福开始把散射实验事实与新的原子模型联系起来。他认为α粒子是在同靶原子的一次碰撞中改变其方向的，因而静电斥力必须集中在一个极小的范围内，即原子中有一个体积很小、质量很大，对正电荷有很强偏转能力的核。核外则是一个很大的空间， 核的体积很小，直径约为 10-12—10-13 厘米，约为原子直径的万分之一到十万分之一，但却几乎集中了原子的全部质量，带负电的轻得多的电子则在很大的空间里绕核运动，它看起来就象行星绕太阳的运动。一定元素的原子核上的正电荷数目等于核外电子数。原子结构的现代模型就这样问世了。[3]

为了检验这一模型是否符合观察到的散射结果，必须根据电学定律导出一个公式能算出α粒子在离排斥中心不同距离处通过时偏转的大小。这个公式指出偏离原来运动方向角θ的α粒子数，应当与sin θ 的四次方成

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反比。这个结论与观察到的散射曲

图 12—2 原子的核型模型

线非常相符，这就证明了原子的核型模型的正确性。[1]

不过，卢瑟福模型一开始就由于同经典电动力学理论尖锐矛盾而遇到了困难。因为按照经典理论，电子绕核运动是加速的。会自动向外辐射电磁波，从而丧失能量而逐渐落向原子核。在这一过程中，电子绕核转动频率连续改变，应向外发射连续光谱。这些推论同原子的稳定性以及原

子发射线状光谱的事实相矛盾。于是人们就遇到一个十分棘手的问题，如何说明实在原子的稳定性？这个稳定性问题就成为 20 世纪初期摆在物理学家面前的几个困难问题之一。