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盧瑟福原子模型
1911年英國盧瑟福提出的模型
基本信息
| 中文名 | 盧瑟福原子模型 |
| 外文名 | Rutherford atomic model |
| 別名 | 原子太陽系模型 原子行星模型 |
| 類型 | 關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的一種模型 |
| 提出者 | |
| 提出時間 | 1911年 |
收起
建立過程
理論發(fā)現(xiàn)
英國物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）1895年來到英國卡文迪許實驗室，跟隨湯姆遜學(xué)習(xí)，成為湯姆遜第一位來自海外的研究生。盧瑟福好學(xué)勤奮，在湯姆遜的指導(dǎo)下，盧瑟福在做他的第一個實驗——放射性吸收實驗時發(fā)現(xiàn)了α射線。
盧瑟福設(shè)計的巧妙的實驗，他把鈾、鐳等放射性元素放在一個鉛制的容器里，在鉛容器上只留一個小孔。由于鉛能擋住放射線，所以只有一小部分射線從小孔中射出來，成一束很窄的放射線。盧瑟福在放射線束附近放了一塊很強的磁鐵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有一種射線不受磁鐵的影響，保持直線行進。第二種射線受磁鐵的影響，偏向一邊，但偏轉(zhuǎn)得不厲害。第三種射線偏轉(zhuǎn)得很厲害。
實驗驗證
盧瑟福在放射線的前進方向放不同厚度的材料，觀察射線被吸收的情況。第一種射線不受磁場的影響，說明它是不帶電的，而且有很強的穿透力，一般的材料如紙、木片之類的東西都擋不住射線的前進，只有比較厚的鉛板才可以把它完全擋住，稱為γ射線。第二種射線會受到磁場的影響而偏向一邊，從磁場的方向可判斷出這種射線是帶正電的，這種射線的穿透力很弱，只要用一張紙就可以完全擋住它。這就是盧瑟福發(fā)現(xiàn)的α射線。第三種射線由偏轉(zhuǎn)方向斷定是帶負電的，性質(zhì)同快速運動的電子一樣，稱為β射線。盧瑟福對他自己發(fā)現(xiàn)的α射線特別感興趣。他經(jīng)過深入細致的研究后指出，α射線是帶正電的粒子流，這些粒子是氦原子的離子，即少掉兩個電子的氦原子。
“計數(shù)管”是來自德國的學(xué)生漢斯·蓋革（Hans Geiger，1882-1945)）發(fā)明的，可用來測量肉眼看不見的帶電微粒。當(dāng)帶電微粒穿過計數(shù)管時，計數(shù)管就發(fā)出一個電訊號，將這個電訊號連到報警器上，儀器就會發(fā)出“咔嚓”一響，指示燈也會亮一下。看不見摸不著的射線就可以用非常簡單的儀器記錄測量了。人們把這個儀器稱為蓋革計數(shù)管。藉助于蓋革計數(shù)管，盧瑟福所領(lǐng)導(dǎo)的曼徹斯特實驗室對α粒子性質(zhì)的研究得到了迅速的發(fā)展。
1910年馬斯登（E.Marsden，1889-1970）來到曼徹斯特大學(xué)，盧瑟福讓他用α粒子去轟擊金箔，做練習(xí)實驗，利用熒光屏記錄那些穿過金箔的α粒子。按照湯姆遜的葡萄干蛋糕模型，質(zhì)量微小的電子分布在均勻的帶正電的物質(zhì)中，而α粒子是失去兩個電子的氦原子，它的質(zhì)量約為電子質(zhì)量的7300倍。當(dāng)這樣一顆重型炮彈轟擊原子時，小小的電子是抵擋不住的。而金原子中的正物質(zhì)均勻分布在整個原子體積中，也不可能抵擋住α粒子的轟擊。也就是說，α粒子將很容易地穿過金箔，即使受到一點阻擋的話，也僅僅是α粒子穿過金箔后稍微改變一下前進的方向而已。這類實驗，盧瑟福和蓋革已經(jīng)做過多次，他們的觀測結(jié)果和湯姆遜的葡萄干蛋糕模型符合得很好。α粒子受金原子的影響稍微改變了方向，它的散射角度極小。
馬斯登和蓋革又重復(fù)著這個已經(jīng)做過多次的實驗，奇跡出現(xiàn)了！他們不僅觀察到了散射的α粒子，而且觀察到了被金箔反射回來的α粒子。在盧瑟福晚年的一次演講中曾描述過當(dāng)時的情景，他說：“我記得兩三天后，蓋革非常激動地來到我這里，說：‘我們得到了一些反射回來的α粒子......’，這是我一生中最不可思議的事件。這就像你對著卷煙紙射出一顆15英寸的炮彈，卻被反射回來的炮彈擊中一樣地不可思議。經(jīng)過思考之后，我認識到這種反向散射只能是單次碰撞的結(jié)果。經(jīng)過計算我看到，如果不考慮原子質(zhì)量絕大部分都集中在一個很小的核中，那是不可能得到這個數(shù)量級的。”
建立
盧瑟福所說的“經(jīng)過思考以后”，不是思考一天、二天，而是思考了整整一、二年的時間。在做了大量的實驗和理論計算和深思熟慮后，他才大膽地提出了有核原子模型，推翻了他的老師湯姆遜的實心帶電球原子模型。
盧瑟福檢驗了在他學(xué)生的實驗中反射回來的確是α粒子后，又仔細地測量了反射回來的α粒子的總數(shù)。測量表明，在他們的實驗條件下，每入射約八千個α粒子就有一個α粒子被反射回來。用湯姆遜的實心帶電球原子模型和帶電粒子的散射理論只能解釋α粒子的小角散射，但對大角度散射無法解釋。多次散射可以得到大角度的散射，但計算結(jié)果表明，多次散射的幾率極其微小，和上述八千個α粒子就有一個反射回來的觀察結(jié)果相差太遠。
湯姆遜原子模型不能解釋α粒子散射，盧瑟福經(jīng)過仔細的計算和比較，發(fā)現(xiàn)只有假設(shè)正電荷都集中在一個很小的區(qū)域內(nèi)，α粒子穿過單個原子時，才有可能發(fā)生大角度的散射。也就是說，原子的正電荷必須集中在原子中心的一個很小的核內(nèi)。在這個假設(shè)的基礎(chǔ)上，盧瑟福進一步計算了α散射時的一些規(guī)律，并且作了一些推論。這些推論很快就被蓋革和馬斯登的一系列漂亮的實驗所證實。
現(xiàn)實意義
盧瑟福的理論開拓了研究原子結(jié)構(gòu)的新途徑，為原子科學(xué)的發(fā)展立下了不朽的功勛。然而，在當(dāng)時很長的一段時間內(nèi)，盧瑟福的理論遭到物理學(xué)家們的冷遇。盧瑟福原子模型存在的致命弱點是正負電荷之間的電場力無法滿足穩(wěn)定性的要求，即無法解釋電子是如何穩(wěn)定地待在核外。1904年長崗半太郎提出的土星模型就是因為無法克服穩(wěn)定性的困難而未獲成功。因此，當(dāng)盧瑟福又提出有核原子模型時，很多科學(xué)家都把它看作是一種猜想，或者是形形色色的模型中的一種而已，而忽視了盧瑟福提出模型所依據(jù)的堅實的實驗基礎(chǔ)。
盧瑟福具有非凡的洞察力，因而常常能夠抓住本質(zhì)作出科學(xué)的預(yù)見。同時，他又有十分嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度，他從實驗事實出發(fā)作出應(yīng)該作出的結(jié)論。盧瑟福認為自己提出的模型還很不完善，有待進一步的研究和發(fā)展。他在論文的一開頭就聲明：“在現(xiàn)階段，不必考慮所提原子的穩(wěn)定性，因為顯然這將取決于原子的細微結(jié)構(gòu)和帶電組成部分的運動。”當(dāng)年他在給朋友的信中也說：“希望在一、二年內(nèi)能對原子構(gòu)造說出一些更明確的見解。”
簡介
生平簡介
1871年8月30日生于新西蘭納爾遜的一個手工業(yè)工人家庭。并在新西蘭長大。他進入新西蘭的坎特伯雷學(xué)院學(xué)習(xí)。23歲時獲得了三個學(xué)位（文學(xué)學(xué)士、文學(xué)碩士、理學(xué)學(xué)士）。1895年在新西蘭大學(xué)畢業(yè)后，獲得英國劍橋大學(xué)的獎學(xué)金進入卡文迪許實驗室，成為湯姆孫的研究生。提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型，為原子結(jié)構(gòu)的研究做出很大的貢獻。1898年，在湯姆孫的推薦下，擔(dān)任加拿大麥吉爾大學(xué)的物理教授。他在那兒呆了9年。于1907年返回英國出任曼徹斯特大學(xué)的物理系主任。1919年接替退休的湯姆孫，擔(dān)任卡文迪許實驗室主任。1925年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會主席。1931年受封為納爾遜男爵，1937年10月19日因病在劍橋逝世，與牛頓和法拉第并排安葬，享年66歲。
科學(xué)成就
1、他關(guān)于放射性的研究確立了放射性是發(fā)自原子內(nèi)部的變化。放射性能使一種原子改變成另一種原子，而這是一般物理和化學(xué)變化所達不到的；這一發(fā)現(xiàn)打破了元素不會變化的傳統(tǒng)觀念，使人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究進入到原子內(nèi)部這一新的層次，為開辟一個新的科學(xué)領(lǐng)域——原子物理學(xué)，做了開創(chuàng)性的工作。
3、質(zhì)子的發(fā)現(xiàn) 1919年，盧瑟福做了用α粒子轟擊氮核的實驗。他從氮核中打出的一種粒子，并測定了它的電荷與質(zhì)量，它的電荷量為一個單位，質(zhì)量也為一個單位，盧瑟福將之命名為質(zhì)子。
4、他通過α粒子為物質(zhì)所散射的研究，無可辯駁的論證了原子的核模型，因而一舉把原子結(jié)構(gòu)的研究引上了正確的軌道，于是他被譽為原子物理學(xué)之父。由于電子軌道也就是原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和經(jīng)典電動力學(xué)的矛盾，才導(dǎo)致玻爾提出背離經(jīng)典物理學(xué)的革命性的量子假設(shè)，成為量子力學(xué)的先驅(qū)。 5、人工核反應(yīng)的實現(xiàn)是盧瑟福的另一項重大貢獻。自從元素的放射性衰變被確證以后，人們一直試圖用各種手段，如用電弧放電，來實現(xiàn)元素的人工衰變，而只有盧瑟福找到了實現(xiàn)這種衰變的正確途徑。這種用粒子或γ射線轟擊原子核來引起核反應(yīng)的方法，很快就成為人們研究原子核和應(yīng)用核技術(shù)的重要手段。在盧瑟福的晚年，他已能在實驗室中用人工加速的粒子來引起核反應(yīng)。
桃李滿天下
當(dāng)人們評論盧瑟福的成就時，總要提到他“桃李滿天下”。在盧瑟福的悉心培養(yǎng)下，他的學(xué)生和助手有多人獲得了諾貝爾獎金： 1921年，盧瑟福的助手索迪獲諾貝爾化學(xué)獎； 1922年，盧瑟福的學(xué)生阿斯頓獲諾貝爾化學(xué)獎；
趣聞軼事
1、有個外號叫“鱷魚”
盧瑟福從小家境貧寒，通過自己的刻苦努力，這個窮孩子完成了他的學(xué)業(yè)。這段艱苦求學(xué)的經(jīng)歷培養(yǎng)了盧瑟福一種認準(zhǔn)了目標(biāo)就百折不回勇往直前的精神。后來學(xué)生為他起了一個外號——鱷魚，并把鱷魚徽章裝飾在他的實驗室門口。因為鱷魚從不回頭，他張開吞食一切的大口，不斷前進。
2、搖身一變成為“化學(xué)家”
1908年，盧瑟福獲得該年度的諾貝爾化學(xué)獎，他對自己不是獲得物理學(xué)獎感到有些意外，他風(fēng)趣地說：“我竟搖身一變，成為一位化學(xué)家了。”“這是我一生中絕妙的一次玩笑！”
3、杰出的學(xué)科帶頭人
盧瑟福還是一位杰出的學(xué)科帶頭人，被譽為“從來沒有樹立過一個敵人，也從來沒有失去一位朋友”的人。在他的助手和學(xué)生中，先后榮獲諾貝爾獎的竟多達12人。1912年度諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者玻爾曾深情地稱盧瑟福是“我的第二個父親”。科學(xué)界中，至今還傳頌著許多盧瑟福精心培養(yǎng)學(xué)生的小故事。
4、是我制造了波浪
盧瑟福屬于那種“性格極為外露”的人，他總是給那些見過他的人留下深刻的印象。他個子很高，聲音洪亮，精力充沛，信心十足，并且極不謙虛。當(dāng)他的同事評論他有不可思議的能力并總是處在科學(xué)研究的“浪尖”上時，他迅速回答道：“說的很對，為什么不這樣？不管怎么說，是我制造了波浪，難道不是嗎？”幾乎所有的科學(xué)家都同意這一評價。
5、最后一個土豆
1895年，在農(nóng)場挖土豆的盧瑟福收到了英國劍橋大學(xué)發(fā)來的通知書，通知他已被錄取為倫敦國際博覽會的獎學(xué)金生。盧瑟福接到通知書后扔掉挖土豆的鋤頭喊道：“這是我挖的最后一個土豆啦！”
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