摘要:從盧瑟福的一些表述出發(fā)，結合相關科學史料，淺析α粒子散射實驗的前因后果，指出α粒子大角度散射現象的發(fā)現才是該實驗的真正歷史價值所在，提出將“α粒子散射實驗”更名為“α粒子大角度散射實驗”。同時對盧瑟福及α粒子散射實驗的相關內容提出了教學建議。

關鍵詞:α粒子散射;原子結構;行星模型

文章編號:1005-6629(2010)05-0056-04 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:B

1 對盧瑟福論著中相關表述的分析

1.1 “α、β粒子與物質的原子碰撞之后，其直線運動會出現偏折”

高速粒子能穿越原子，其直線運動也會出現偏折。 盧瑟福在“物質對α、β粒子的散射和原子構造”[2]一文中提及這兩點時，使用了“眾所周知”一詞，這說明在盧瑟福及其助手觀測到α粒子大角度散射現象之前，這兩點就已經是當時科學界認同的事實。因此可以說，這兩個實驗結果并非α粒子散射實驗的“首創(chuàng)”，或者說并非α粒子散射實驗的真正歷史價值所在。

事實上，在J.J.湯姆孫(Joseph John Thomson，1856—1940)提出原子結構的“葡萄干面包模型”之后，也設計了X 射線和β射線的散射實驗，希望通過射線和原子中電子的相互作用，探明原子內部電子的數目。但從各項散射實驗的結果來看，與湯姆孫原先的假設存在一定的矛盾。湯姆孫假設原子中的正負電荷具有對稱的性質，根據從電子荷質比實驗中測得的電子質量(約為氫原子質量的1/1836)，估算出原子中的電子數N約為原子量A的一千倍，即N=1000 A。

當時有很多科學家參與了這項探測工作，其中巴克拉(Barkla)通過X射線散射實驗，得到的結果是N≈2A(A為原子量);而從β射線散射實驗中得到的結果是N≈0.2A。1910年，克勞瑟根據湯姆生的β散射理論，推證得出N=3A，而盧瑟福從α散射實驗中得到N≈(1/2)A的結論。據此，湯姆孫判定N與A為同一數量級。

可見，當時科學界所做的大量散射實驗，有很大的可能是為了完善湯姆孫的模型，并確認原子內的電子數，從而為解釋原子如何能保持其穩(wěn)定狀態(tài)等問題提供實驗依據。盧瑟福作為湯姆孫的研究生，自然會參與到這項科研工作中去。

湯姆孫和他的同行們所進行的這些工作，打破了原子中正負電荷互相對稱的觀念，也為α粒子大角度散射實驗——證實了原子核的存在，創(chuàng)造了思想上的可能性。

1.2“由于高速粒子(如α和β粒子)的巨大動能，它們應能穿過擋在其前進路線中的原子。通過對帶電粒子與原子發(fā)生碰撞后偏離其直線軌道的研究，便可搞清楚原子中造成這種偏折的電力的強度和分布。[3]”

我們一直感興趣于盧瑟福為什么會選擇α粒子、怎么會想到用它去轟擊氦核?從而觀測到大角度散射的實驗結果。也許從上面的這段話和以下的一些史實中我們能理出點線索來。

盧瑟福在1898 年研究放射性時發(fā)現α、β射線。1901～1903 年，盧瑟福精心設計實驗，根據α射線在磁場中的偏轉方向確定其帶正電荷，接著又從電場和磁場的共同作用下，初步測出α粒子的荷質比與氫離子同數量級，速度大約為光速的十分之一。盧瑟福又于1909 年通過對鐳射氣進行放電實驗，經光譜分析找到了其中含有氦的特征譜線，從而證明α粒子就是氦原子失去電子之后的氦離子(He2+)。

可見，盧瑟福對α粒子有長達十年的研究，與同時代其他科學家相比，他可能對α粒子性質有更為深入的了解。另從荷質比的數據可以推得，氦原子的質量是氫原子的4倍，由此α粒子具有比β粒子大得多的動量和能量。如果進行散射實驗，α射線可能會比β射線更易于精確地“搞清楚原子中造成這種偏折的電力的強度和分布”[3]。這些結合在一起，或許是盧瑟福特別“鐘情于”用α粒子進行散射實驗的原因。

當然，盧瑟福長期利用α粒子進行轟擊金箔等實驗的另外一個原因，可能是基于一個很樸素的想法——要想了解原子內部的結構，那就先把它轟開了再說。1917年底在盧瑟福給玻爾的信中寫道:“我試圖用這種方法把原子擊破”。1919年，盧瑟福在劍橋大學卡文迪什實驗室判定氮原子在α粒子的轟擊下發(fā)生了核的轉變，從氮核中放出了氫核，他在論文中談到:“如果α粒子——或類似的投射粒子——有更大的能量可供實驗的話，我們就可以期望擊破許多輕元素的核結構?！北R瑟福的研究開辟了人工核反應的道路。所以，當他的學生馬斯登E.Marsden，1889-1970)1910年來到曼徹斯特大學后，盧瑟福讓他用α粒子去轟擊金箔(這類實驗，盧瑟福和蓋革已經做過多次，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，他們以往的觀測結果和湯姆遜的葡萄干蛋糕模型符合得很好)，或許盧瑟福的本意只是為他提供一個機會去熟悉或鍛煉基本的實驗操作技能，以便于將來可以獨立開展研究工作。馬斯登有很高的實驗素養(yǎng)和嚴謹的科學態(tài)度，這使他能在看似簡單重復的實驗和數據采集過程中，捕捉到實驗中的很多反常細節(jié)，盧瑟福給這位學生定的研究方向也依然是繼續(xù)研究α射線及用α粒子轟擊各類物質，這也可以理解為是盧瑟福自己長期追求的實驗目標。在α粒子大角度散射實驗完成后的1914年，馬斯登用閃爍鏡觀測α射線在空氣中的射程時，注意到出現了一些射程特別長的粒子的反?，F象，引起盧瑟福的注意，在反復實驗后，實現了上面提到的人工核反應。

可見，盧瑟福選擇α粒子作為轟擊金箔和研究原子內部結構的“主力武器”，并非其突發(fā)奇想，而是其長期科學研究目標引導下的必然結果。選擇這個具有相當大的動量并帶有正電荷的“武器”，就為大角度散射實驗以及之后有核原子模型的提出奠定了極為重要的實驗基礎。

1.3 “α射線中有一部分是經單次碰撞后出現的大于直角的偏折”

這是在盧瑟福的論文[2]中， 作為重要發(fā)現提出來的。1909 年，蓋革和馬斯登也在對該實驗的報道中提到:“一部分落到金屬板上的α粒子方向改變到這樣的地步，以致于重現在入射的一邊……入射的α粒子中每8000 個粒子有一個要反射回來”[4]。

這種實驗結果是無法用J.J.湯姆生的“葡萄干面包”原子模型和散射理論解釋的。即使用湯姆生后來提出的多次散射理論，也不足以說明這一反?，F象，因為盧瑟福認為“如果把大角度偏折看成是多次小偏折累積造成的，則α粒子的大角度偏折也應按預期的概率規(guī)律有一定分布， (但實際上)并不服從這個概率規(guī)律”，且“經第二次碰撞產生大角度偏折的機會是極為微小的，與1/8000 的實驗測定結果相去甚遠”[2]。

正是有了α粒子大角度散射的實驗事實作為依據，盧瑟福在論文[2]中確認了“正電荷集中在原子中心”， 并提出了有核原子模型(原子結構的行星模型)。

基于上述分析，我們認為α粒子大角度散射現象的發(fā)現才是α粒子散射實驗的真正歷史價值所在。

2關于盧瑟福及α粒子散射實驗的教學建議

2.1避免兩個認識誤區(qū)

(1)誤區(qū)一:先有原子結構的行星模型，再設計α粒子散射實驗加以驗證。

這是在教學中要嚴肅避免的一個誤區(qū)，若處理不當，極易給學生留下將科學家“神化”的印象，這會將科學教育引向歧路。一個科學模型的提出，往往是建立在一定的實驗證據基礎上的，并非簡單的憑空捏造或想象。按誤區(qū)的提法進行教學，很容易給學生造成是因為想到了行星模型，再進行有針對性的實驗設計，做出了三個實驗現象(即直線穿過、少數偏轉、極個別彈回)，從而驗證模型正確的誤解，這是違背歷史事實和實驗邏輯的。

α粒子直線穿過、少數偏轉是“葡萄干面包模型”也能解釋的，是不足以引發(fā)盧瑟福推翻老師湯姆孫的理論而另起爐灶的，只有極個別直接彈回的現象才最終導致原子結構“行星模型”的提出。所以，“行星模型”的提出，主要是為了解釋α粒子大角度散射現象。鑒于尊重史實，筆者建議，將中學教材中的“α粒子散射實驗”更名為“α粒子大角度散射實驗”，或許能有助于認清歷史并盡可能地避免教學誤區(qū)。

(2)誤區(qū)二:盧瑟福是第一個提出有核原子模型的科學家。

這也是一個比較常見的認識誤區(qū)。在人類認識原子結構的歷程中，在盧瑟福提出原子有核模型之前，還有不少科學家，提出過核的概念。比較著名的有1901 年佩蘭(Perrin)在論文中曾假設過類似的模型，即原子有正核，外面圍繞著負電子。還有長崗半太郎在1903 年根據麥克斯韋的土星衛(wèi)環(huán)理論推測原子的結構，也提出了原子核的觀念，1904年，他在論文《用粒子系統(tǒng)的運動學闡明線光譜、帶光譜和放射性》中提到:“粒子系統(tǒng)，是由很多質量相同的質點，聯(lián)接成圓……在圓中心有一大質量的質點對其他質點以同樣定律的力吸引”，他認為正負電荷是不能相互滲透的，于是提出了一種他稱之為“土星模型”的結構——即圍繞帶正電的核心有電子環(huán)轉動的原子模型。等等。這些都對盧瑟福提出自己的有核原子模型有重要的啟發(fā)作用。這些模型提出后，并未引起大家的更多關注或認可，與它們缺乏必要的實驗依據、多為猜想和假設有關。

盧瑟福與上述幾位科學家的最大區(qū)別在于，原子結構的“行星模型”是有α粒子大角度散射實驗的事實作為依據，他的實驗方法和相關理論為正確研究原子結構開辟了一條新的途徑，“行星模型”已不是一般意義上的假說或猜想。雖然，這個理論也是直到1914—1915年，經過更多科學家的實驗和理論驗證，才最終得到了世人的公認，但從此將人類對原子結構的認識帶入了有核的全新階段，這是盧瑟福和他的助手及α粒子大角度散射實驗在科學史上的偉大功績所在。

因此，筆者建議在教學中，教師應該更多地引導學生去認識:實驗對于科學發(fā)展的意義和作用;科學家和科學研究更重實證。少去關注無謂的誰是第一發(fā)現者。

2.2 關注體會科學精神

2.2.1關注盧瑟福在α粒子大角度散射實驗中的角色與作用

通過史料，我們很容易發(fā)現，α粒子散射實驗的具體操作者和大角度散射現象的發(fā)現者，實際是盧瑟福的助手蓋革和學生馬斯登，那么，盧瑟福究竟起了什么作用呢?

蓋革和馬斯登在論文發(fā)表后又重新回到小角度散射實驗的研究工作，盧瑟福則緊緊抓住這個容易被人們忽略的反?，F象，敏銳地認識到“這一結果對于了解原子周圍或原子內部的電場強度，帶來了巨大光明”，“原子處于一個強電場中的結論是不可避免的，否則α粒子通過象一個分子直徑這樣小的距離而改變方向是不可能的”[2]。1909～1911年，盧瑟福從原子內存在強電場的角度，深入探索α粒子大角度散射的原因，從理論上探討了能夠產生α 粒子大角度偏折的簡單原子模型，再將理論推導的計算結果與當時的實驗數據比較，并由蓋革和馬斯登進一步對α粒子散射實驗作了許多改進，測定了大量的數據，證實了盧瑟福的理論。

從中不難看出，對于異?，F象關注的直覺敏銳性，對于細節(jié)研究的嚴謹實驗態(tài)度，對于經典理論敢于突破束縛、進行開創(chuàng)性工作的能力，是盧瑟福對于α粒子大角度散射實驗和行星模型提出的貢獻所在，實至名歸。而科研團隊之間的配合和成員的科學素養(yǎng)也是至關重要的，沒有蓋革和馬斯登在實驗上的細致、敏銳、務實和創(chuàng)造能力，這一切同樣難以獲得。

盧瑟福知道自己的原子模型還很不完善，主要是對于原子穩(wěn)定性問題和原子線光譜還不能作出很好的解釋，在論文一開始， 就申明:“在現階段，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構和帶電的組成部分的運動[2]”， 謙虛地承認自己模型的不足。1911 年4 月11 日盧瑟福在給友人波爾特武德(Boltwood)的信中寫道:“希望在一、二年內能對原子構造說出一些更明確的見解”。反映出一個科學家嚴謹的科學態(tài)度。

2.2.2 了解當時的實驗環(huán)境

19 世紀末到20世紀初，從事這項研究的科學家們，既沒有現成的史料可查，更沒有足夠完善的理論可循，而且他們在實驗室里使用的儀器也是極其簡陋的，即使是在赫赫有名的英國卡文迪什實驗室，儀器也多為自創(chuàng)自制。他們進行各種實驗和觀察，收集數據，總結經驗，尋找規(guī)律，在未知的世界里探索前進。他們“用大的錫罐頭皮做β和γ射線靜電計，在它上面焊上更小些的煙草盒或香煙盒。因為沒有琥珀，用硫磺作絕緣材料。為了觀測α粒子散射到閃鋅屏上的點，實驗者用肉眼通過顯微鏡一個個計數，他們要在暗室中長時間地觀測閃光，記錄數據，需要實驗者有足夠的耐心和毅力，并要有嚴謹的科學態(tài)度，確保實驗觀察和記錄的準確性。

隨著科技的發(fā)展，目前的實驗條件大為改觀，人類創(chuàng)造了大量新的技術和儀器，但實驗者的科學精神依然是保證實驗成功和可靠性的重要保證。

在α粒子大角度散射實驗背后有很多值得整理的教育教學素材。在科學教學中，除了知識，還應給帶來學生更多的科學精神啟迪和研究方法感悟，這或許就是上海二期課改新教材將這部分內容設置在高一第一章的用意所在。

2009年，α粒子大角度散射現象發(fā)現100周年，謹作此文以紀念之，重溫歷史，激勵未來。因筆者才疏學淺，難免有表達不當之處，請同行們不吝指正。

參考文獻:

[1]物理學史[M].北京:清華大學出版社.

[2]盧瑟福. 物質對α、β粒子的散射和原子構造[J]. 哲學雜志，1911(21):669.

[3]盧瑟福.《放射性物質及其輻射》[M].1913.

[4]H.Geiger and E.Marsden.Proc，Roy.Soc.A82(1909)p.495.