拉塞福散射檢視原始碼討論檢視歷史
 |
在原子物理學裏，拉塞福散射（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|elastic scattering。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，也導致拉塞福模型的創立，及後來波耳模型[1] 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。
微分截面
拉塞福計算出來的微分截面是
- frac{d \sigma}{d \Omega} = \left(\frac{qQ}{16\pi\epsilon_0 E \sin^2 (\theta / 2)} \right)^2\,\!
其中，sigma\,\! 是截面，Omega\,\! 是立體角，q\,\! 是阿爾法粒子的電荷量，Q\,\! 是散射體的電荷量，epsilon_0\,\! 是真空電容率，E\,\! 是能量，theta\,\! 是散射角度。
原子核最大尺寸
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（mv_0^2/2\,\!），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 b\,\! 是原子核最大尺寸。應用庫侖定律，
- frac{1}{2} mv_0^2 =\frac{qQ}{4\pi \epsilon_0 b}\,\!
其中，m\,\! 是質量，v_0\,\! 是初始速度。
重新編排，
- b =\frac{2 qQ}{4\pi \epsilon_0 mv_0^2}\,\!
阿爾法粒子的質量是 m=6.7\times 10^{ - 27}\ kg\,\! ，電荷量是 q=2\times(1.6\times 10^{ - 19})\ C\,\! ，初始速度是 v_0=2\times 10^{7}\ m/s\,\! ，金的電荷量是 Q=79\times(1.6\times 10^{ - 19})\ C\,\! 。將這些數值代入方程式，可以得到撞擊參數 b=2.7\times 10^{ - 14}\ m\,\! （真實半徑是7.3\times 10^{ - 15}\ m\,\! ）。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 27\ fm\,\! 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 7.3\ fm\,\! 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 b\,\! ），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 27\ fm\,\! 。
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 3.5 \ fm\,\!
歷史
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·湯姆森提出的），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。
在拉塞福的指導下，漢斯·蓋革和歐內斯特·馬斯登發射α粒子射束來轟擊只有幾個原子厚度的薄白金箔紙。name=platinum這個計算粒子大角度散射數量的特別實驗使用的是白金箔紙。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。
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。」
拉塞福計算出原子核的尺寸應該小於 10^{ - 14} m\,\! 。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。
應用
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。