关于“α粒子散射实验”的若干问题
朱建廉
南京市金陵中学（210005）
摘要：就“α粒子散射实验”的教学过程中所碰到的诸如“为什么用金箔做靶”、“卢瑟福获取α粒子散射的精确数据的方法”等问题谈一些看法。

关键词：α粒子散射；实验现象；闪烁法。

笔者在进行“α粒子散射实验”的教学过程中，常会碰到学生提出的诸如：“为什么要用金箔做靶”，“为什么要在真空环境中实验”，“为什么从α粒子的散射现象中就可以概括出原子的核式结构”，“卢瑟福在α粒子散射实验中是怎样获得α粒子散射的精确数据的”等问题。

这些问题归纳起来实际上是两类：一类是涉及到“α粒子散射实验”的实验目的、实验原理及实验方法设计的基本问题，相比较而言，这类问题比较容易回答；而另一类则是涉及到具体的实验操作细节中的一些技术问题，回答这类问题要困难得多，带着这些问题笔者查阅了有关资料，归纳写出本文。

1、α粒子散射实验的实验目的、方法设计及设计思想
1.1实验目的
通过对α粒子散射情况的观察与分析，获取关于原子结构方面的信息。

1.2实验方法设计
在真空环境中，使放射性元素钋放射出的α粒子轰击金箔，然后通过显微镜观察用荧光屏（硫化锌屏）接收到的α粒子，借助于对轰击金箔前后的α粒子的运动情况的分析与对比，进而了解金原子的结构情况。

1.3实验方法的设计原理和设计思想
与某一金原子发生作用前后的α粒子运动情况的差异，必然带有金原子结构特征的烙印，而这正是α粒子散射实验的设计思想。

卢瑟福所以选择金原子作靶，是利用金的良好的延展特性，把金箔做得尽量薄，以使每一个α粒子在穿过金箔的过程中与尽可能少的金原子发生作用；至于实验要求在真空环境中进行，显然是为了避免气体分子对α粒子的运动产生影响。

2、α粒子散射实验的实验现象及对实验现象的解释
2.1实验现象
α粒子散射实验的现象是沿不同散射角度的方向上均观察到散射的α粒子，但数量不
同。

在中学物理教材中，把这些散射的α粒子分为三类：（1）绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向运动；（2）少数α粒子发生了较大角度的偏转；（3）极少数α粒子的偏转角度超过了900，有的甚至达到1800。

2.2对实验现象的解释
首先，由于α粒子的质量是电子质量的7000多倍，电子是不可能使α粒子发生大角度偏转的；其次，若原子中带正电的物质按照汤姆生的原子模型均匀分布，那么在α粒子穿过原子时，其散射的情况对所有的α粒子来说应大致相同，因为均匀分布在α粒子两侧的带正电的物质对α粒子的库仑斥力大部分将会相互抵消，因而不可能使α粒子获得较大的偏转力。

而“绝大多数”、“少数”和所谓的“极少数”这三部分α粒子在散射过程中的行为的差异，则充分地说明原子中的那部分带正电的物质必须高度地集中在一个很小的区域内，即原子应具有核式结构的特征。

3、卢瑟福记录和统计α粒子散射数据的方法简介
3.1记录和统计α粒子散射数据的困难分析
在α粒子散射实验中，卢瑟福是采用“闪烁法”来观测α粒子的散射情况的。

但在实际的观测中，要想把打在硫化锌屏上的α粒子所引起的闪烁一个不漏地精确地统计出来，并不是一件轻而易举的事情。

造成困难的因素主要有：（1）单位时间内α粒子打到屏上引起的闪烁次数太多（每分钟可多达90至100次）；（2）α粒子依次打到屏上引起闪烁的时间间隔的不确定所造成的计数节奏的变化影响到计数的准确性。

3.2记录和统计α粒子散射数据的具体做法
卢瑟福采用的具体做法包括：（1）训练和挑选优秀的观测者。

卢瑟福让他的研究生先跟查德威克从事6周关于α粒子散射实验及观测的训练课，然后挑选出眼睛好、能在紧张的工作中集中注意力并保持宁静的优秀的观测者；（2）观测前对观测者作必要的心理、生理的调节。

观测工作一般被安排在固定的时间内进行，每周两次，从下午4点到6点，观测者进入光线微弱的实验室后的第一件事情是品茶聊天，放松情绪，并让眼睛适应观测环境；（3）利用观测者间的差异来提高对闪烁数的统计精度。

让两个人同时观测一个硫化锌屏，由于两个人的观测效率（统计数与实际闪烁数之比）各异，分别为1η和2η，于是，计数时有两个人用按电键的方式传来的信号就有三种，分别统计出从第一个观测者传来的计数n 1，从第二个观测者传来的计数n 2和从两个观测者同时传来的计数n 12，它们分别为
n n 11η=
n n 22η=
n n 2112ηη=
由此可以得到实际闪烁数为
12
21n n n n = 这样的方法使得观测的精度大大地提高。

卢瑟福正是在这种方法下所获得的精确数据的基础上，做出了原子核式结构的论断。

参考文献
1、 岳燕宁、朱建廉 《名师辅导·物理》 南京：东南大学出版社音像出版部。

2、 郭奕玲、沈慧君 《科学家的道路》 北京：人民教育出版社。

——发表于《物理教师》1999年第1期。