拉塞福散射
在原子物理學裏，拉塞福散射（英語：Rutherford scattering）指的是帶電粒子因為庫侖相對作用而進行的一種彈性散射。這種散射實驗是由歐尼斯特·拉塞福領隊設計與研究，成功地於 1909 年證實在原子的中心有個原子核[1]，也導致拉塞福模型的創立，及後來波耳模型的提出。應用拉塞福散射的技術與理論，拉塞福背散射（Rutherford backscattering）是一種專門分析材料的技術。拉塞福散射有時也被稱為庫侖散射，因為它涉及的位勢乃庫侖位勢。深度非彈性散射（deep inelastic scattering）也是一種類似的散射，在 60 年代，常用來探測原子核的內部。
歷史
編輯α粒子散射的實驗完成於1909年。在那時代，原子被認為類比於梅子布丁（物理學家約瑟夫·湯木生提出的，又稱葡萄乾布丁模型），負電荷（梅子）分散於正電荷的圓球（布丁）。假若這梅子布丁模型是正確的，由於正電荷完全散開，而不是集中於一個原子核，庫侖位勢的變化不會很大，通過這位勢的阿爾法粒子，其移動方向應該只會有小角度偏差。[2][3]:51-53
在拉塞福的指導下，漢斯·蓋革和歐尼斯特·馬斯登發射α粒子射束來轟擊只有幾個原子厚度的薄金箔紙。[註 1]然而，他們得到的實驗結果非常詭異，大約每8000個阿爾法粒子，就有一個粒子的移動方向會有很大角度的偏差（甚至超過 90°）；而其它粒子都直直地通過白金箔紙，偏差幾乎在2°到3°以內，甚至幾乎沒有偏差。從這結果，拉塞福斷定，大多數的質量和正電荷，都集中於一個很小的區域（這個區域後來被稱作「原子核」）；電子則包圍在區域的外面。當一個（正價）α粒子移動到非常接近原子核，它會被很強烈的排斥，以大角度反彈。原子核的小尺寸解釋了為什麼只有極少數的α粒子被這樣排斥。[4][3]:51-53
拉塞福對這奇異的結果感到非常驚異。他後來常說：「這是我一生中最難以置信的事件…如同你用15吋巨砲朝著一張衛生紙射擊，而炮彈卻被反彈回來而打到你自己一般地難以置信。」[2][3]:51-53
拉塞福計算出原子核的尺寸應該小於 。至於其具體的數值，拉塞福無法從這實驗決定出來。關於這一部份，請參閱後面的「原子核最大尺寸」一節。[2]
微分截面
編輯
拉塞福計算出來的微分截面是
- ；
其中， 是截面， 是立體角， 是阿爾法粒子的電荷量， 是散射體的電荷量， 是真空電容率， 是能量， 是散射角度。這就是著名的拉塞福公式[5]。
原子核最大尺寸
編輯假設阿爾法粒子正面碰撞於原子核。阿爾法粒子所有的動能（ ），在碰撞點，都被轉換為位能。在那一剎那，阿爾法粒子暫時是停止的。從阿爾法粒子到原子核中心的距離 是原子核最大尺寸。應用庫侖定律，
- ；
其中， 是質量， 是初始速度。
重新編排，
- 。
阿爾法粒子的質量是 ，電荷量是 ，初始速度是 ，金的電荷量是 。將這些數值代入方程式，可以得到撞擊參數 （真實半徑是 ）。這些實驗無法得到真實半徑，因為阿爾法粒子沒有足夠的能量撞入 半徑內。拉塞福知道這問題。他也知道，假若阿爾法粒子眞能撞至 半徑，直接地擊中金原子核，那麼，在高撞擊角度（最小撞擊參數 ），由於位勢不再是庫侖位勢，實驗得到的散射曲線的樣子會從雙曲線改變為別種曲線。拉塞福沒有觀察到別種曲線，顯示出金原子核並沒有被擊中。所以，拉塞福只能確定金原子核的半徑小於 。
1919 年，在拉塞福實驗室進行的另一個非常類似的實驗，物理學家發射阿爾法粒子於氫原子核，觀察到散射曲線顯著地偏離雙曲線，意示位勢不再是庫侖位勢。從實驗數據，物理學家得到撞擊參數或最近離距（closest approach）大約為 。更進一步的研究，在拉塞福實驗室，發射阿爾法粒子於氮原子核和氧原子核，得到的結果，使得詹姆斯·查德威克和工作同仁確信，原子核內的作用力不同於庫侖斥力[6]。
應用
編輯現今，應用這些年累積的散射原理與技術，拉塞福背散射譜學能夠偵側半導體內的重金屬雜質。實際上，這技術也是第一個在月球使用的實地分析技術。在勘察者任務（surveyor mission）降落於月球表面後，拉塞福背散射譜學實驗被用來收集地質資料。
參閱
編輯註釋
編輯參考文獻
編輯- ^ 拉塞福, 歐尼斯特. The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom. Philosophical Magazine. May 1911, 21: p. 669–688 [2008年12月21日].[永久失效連結]
- ^ 2.0 2.1 2.2 蕭如珀; 楊信男, 拉塞福和原子核的發現 (PDF), 物理雙月刊, Jun 2007, 29 (3) [2019-05-30], （原始內容存檔 (PDF)於2020-09-18）
- ^ 3.0 3.1 3.2 Kragh, Helge. Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century Reprint. Princeton University Press. 2002. ISBN 978-0691095523.
- ^ 4.0 4.1 Geiger, Hans; Marsden, Ernest, On a Diffuse Reflection of the α-Particles, Proceedings of the Royal Society, 1909, 82 (A): p. 495–500, （原始內容存檔於2008-01-02）,
Three different determinations showed that of the incident α-particles about 1 in 8000 was reflected [by the platinum reflector]
- ^ 楊, 福家. 原子物理學. 北京: 高等教育出版社. : 21.
- ^ 派斯, 亞伯拉罕. Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World. USA: Oxford University Press. September 29, 1988: pp. 239. ISBN 978-0198519973.