拉塞福的原子核(上)

化學原理啟迪8

1.       在十九世紀末，科學家發現某些元素會產生高能量的輻射。例如，1896年法國科學家 亨利貝克勒Antoine Henri Becquerel，偶然間發現含鈾的礦物能在沒有光線曝光的情況下，使攝影底片出現影響。他把這個現象歸因於鈾會自發性地放射光，而他的學生，瑪麗居禮Marie Curie，稱這個現象為 「放射性radioactivity」。

2.       二十世紀初的研究找到三種放射線：伽瑪射線gamma rays (γ)、貝塔射線beta particles (β)、和阿法射線 alpha particles(α)。γ射線是高能量的「光」；β粒子射線是高速的電子；α粒子射線有+2電荷。α粒子的質量是電子的7300倍。

3.       1911年，拉塞福Ernest Rutherford做了好幾個有開拓性的實驗來探索放射性元素，並且展開檢驗湯姆生的葡萄布丁模型原子理論是否正確的實驗。這個實驗是直接把α粒子射向金屬薄片。

4.       拉塞福認為如果湯姆生的模型正確，結實的α粒子應該可以擊破穿透金屬薄片，就像砲彈穿過網子(α粒子射線有+2電荷，應該是原子中那些四處散布的正電荷粒子的二倍大)。

5.       他預期絕大多數的α粒子會穿透金屬薄片，只有非常少數的α粒子反彈。但是實驗的結果不如預期。雖然大部分的α粒子穿透金屬薄片，但是有許多粒子以很大的角度偏折斜射出去，有一些粒子甚至反射回來，完全沒有碰到金屬薄片另一端的測試器。

6.       這個結果讓拉塞福大吃一驚，他描述這好像對一張紙射榴彈，結果榴彈碎片竟然反彈回來。

7.       拉塞福從這個實驗結果得知，原子結構是葡萄布丁模型的理論並不正確。造成α粒子大角度偏折斜射出去的原因是，所有正電荷粒子都集中在原子的中心，同時這些正電粒子也是原子的質量來源。

8.       大部分的α粒子穿過金屬薄片是因為，原子的體積大部分的空間是中空的。那些偏折的α粒子，是因為它們靠近碰到了原子結實的正電中心，少數反射的α粒子是因為它們直直地撞上原子的正電中心。

9.       在拉塞福的心裡，這些結果只能解釋成原子有原子核nuclear atom，原子有個集中所有正電荷的核，而電子則是圍繞原子核活動；「電子與原子核的距離」，與「原子核的半徑」相比是相當大的。(摘錄Steven S. Zumdahl 的《化學原理Chemical Principles》)