基本介紹
- 中文名：盧瑟福原子模型
- 外文名：Rutherford atomic model
- 又稱：原子太陽系模型、原子行星模型
- 類型：關於原子結構的一種模型
- 提出者：盧瑟福
- 提出時間：1911年
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模型建立過程
理論發現
英國物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）1895年來到英國卡文迪許實驗室，跟隨湯姆遜學習，成為湯姆遜第一位來自海外的研究生。盧瑟福好學勤奮，在湯姆遜的指導下，盧瑟福在做他的第一個實驗——放射性吸收實驗時發現了α射線。
盧瑟福設計的巧妙的實驗，他把鈾、鐳等放射性元素放在一個鉛制的容器里，在鉛容器上只留一個小孔。由於鉛能擋住放射線，所以只有一小部分射線從小孔中射出來，成一束很窄的放射線。盧瑟福在放射線束附近放了一塊很強的磁鐵，結果發現有一種射線不受磁鐵的影響，保持直線行進。第二種射線受磁鐵的影響，偏向一邊，但偏轉得不厲害。第三種射線偏轉得很厲害。
實驗驗證
盧瑟福在放射線的前進方向放不同厚度的材料，觀察射線被吸收的情況。第一種射線不受磁場的影響，說明它是不帶電的，而且有很強的穿透力，一般的材料如紙、木片之類的東西都擋不住射線的前進，只有比較厚的鉛板才可以把它完全擋住，稱為γ射線。第二種射線會受到磁場的影響而偏向一邊，從磁場的方向可判斷出這種射線是帶正電的，這種射線的穿透力很弱，只要用一張紙就可以完全擋住它。這就是盧瑟福發現的α射線。第三種射線由偏轉方向斷定是帶負電的，性質同快速運動的電子一樣，稱為β射線。盧瑟福對他自己發現的α射線特別感興趣。他經過深入細緻的研究後指出，α射線是帶正電的粒子流，這些粒子是氦原子的離子，即少掉兩個電子的氦原子。
“計數管”是來自德國的學生漢斯·蓋革（Hans Geiger，1882-1945)）發明的，可用來測量肉眼看不見的帶電微粒。當帶電微粒穿過計數管時，計數管就發出一個電訊號，將這個電訊號連到報警器上，儀器就會發出“咔嚓”一響，指示燈也會亮一下。看不見摸不著的射線就可以用非常簡單的儀器記錄測量了。人們把這個儀器稱為蓋革計數管。藉助於蓋革計數管，盧瑟福所領導的曼徹斯特實驗室對α粒子性質的研究得到了迅速的發展。
1910年馬斯登（E.Marsden，1889-1970）來到曼徹斯特大學，盧瑟福讓他用α粒子去轟擊金箔，做練習實驗，利用螢光屏記錄那些穿過金箔的α粒子。按照湯姆遜的葡萄乾蛋糕模型，質量微小的電子分布在均勻的帶正電的物質中，而α粒子是失去兩個電子的氦原子，它的質量約為電子質量的7300倍。當這樣一顆重型炮彈轟擊原子時，小小的電子是抵擋不住的。而金原子中的正物質均勻分布在整個原子體積中，也不可能抵擋住α粒子的轟擊。也就是說，α粒子將很容易地穿過金箔，即使受到一點阻擋的話，也僅僅是α粒子穿過金箔後稍微改變一下前進的方向而已。這類實驗，盧瑟福和蓋革已經做過多次，他們的觀測結果和湯姆遜的葡萄乾蛋糕模型符合得很好。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。
模型建立
盧瑟福所說的“經過思考以後”，不是思考一天、二天，而是思考了整整一、二年的時間。在做了大量的實驗和理論計算和深思熟慮後，他才大膽地提出了有核原子模型，推翻了他的老師湯姆遜的實心帶電球原子模型。
盧瑟福檢驗了在他學生的實驗中反射回來的確是α粒子後，又仔細地測量了反射回來的α粒子的總數。測量表明，在他們的實驗條件下，每入射約八千個α粒子就有一個α粒子被反射回來。用湯姆遜的實心帶電球原子模型和帶電粒子的散射理論只能解釋α粒子的小角散射，但對大角度散射無法解釋。多次散射可以得到大角度的散射，但計算結果表明，多次散射的幾率極其微小，和上述八千個α粒子就有一個反射回來的觀察結果相差太遠。
湯姆遜原子模型不能解釋α粒子散射，盧瑟福經過仔細的計算和比較，發現只有假設正電荷都集中在一個很小的區域內，α粒子穿過單個原子時，才有可能發生大角度的散射。也就是說，原子的正電荷必須集中在原子中心的一個很小的核內。在這個假設的基礎上，盧瑟福進一步計算了α散射時的一些規律，並且作了一些推論。這些推論很快就被蓋革和馬斯登的一系列漂亮的實驗所證實。
盧瑟福提出的原子模型像一個太陽系，帶正電的原子核像太陽，帶負電的電子像繞著太陽轉的行星。在這個“太陽系”，支配它們之間的作用力是電磁相互作用力。他解釋說，原子中帶正電的物質集中在一個很小的核心上，而且原子質量的絕大部分也集中在這個很小的核心上。當α粒子正對著原子核心射來時，就有可能被反彈回去。這就圓滿地解釋了α粒子的大角度散射。盧瑟福發表了一篇著名的論文《物質對α和β粒子的散射及原理結構》。
現實意義
盧瑟福的理論開拓了研究原子結構的新途徑，為原子科學的發展立下了不朽的功勳。然而，在當時很長的一段時間內，盧瑟福的理論遭到物理學家們的冷遇。盧瑟福原子模型存在的致命弱點是正負電荷之間的電場力無法滿足穩定性的要求，即無法解釋電子是如何穩定地待在核外。1904年長崗半太郎提出的土星模型就是因為無法克服穩定性的困難而未獲成功。因此，當盧瑟福又提出有核原子模型時，很多科學家都把它看作是一種猜想，或者是形形色色的模型中的一種而已，而忽視了盧瑟福提出模型所依據的堅實的實驗基礎。
盧瑟福具有非凡的洞察力，因而常常能夠抓住本質作出科學的預見。同時，他又有十分嚴謹的科學態度，他從實驗事實出發作出應該作出的結論。盧瑟福認為自己提出的模型還很不完善，有待進一步的研究和發展。他在論文的一開頭就聲明：“在現階段，不必考慮所提原子的穩定性，因為顯然這將取決於原子的細微結構和帶電組成部分的運動。”當年他在給朋友的信中也說：“希望在一、二年內能對原子構造說出一些更明確的見解。”
盧瑟福簡介
生平簡介
1871年8月30日生於紐西蘭納爾遜的一個手工業工人家庭。並在紐西蘭長大。他進入紐西蘭的坎特伯雷學院學習。23歲時獲得了三個學位（文學學士、文學碩士、理學學士）。1895年在紐西蘭大學畢業後，獲得英國劍橋大學的獎學金進入卡文迪許實驗室，成為湯姆孫的研究生。提出了原子結構的行星模型，為原子結構的研究做出很大的貢獻。1898年，在湯姆孫的推薦下，擔任加拿大麥吉爾大學的物理教授。他在那兒呆了9年。於1907年返回英國出任曼徹斯特大學的物理系主任。1919年接替退休的湯姆孫，擔任卡文迪許實驗室主任。1925年當選為英國皇家學會主席。1931年受封為納爾遜男爵，1937年10月19日因病在劍橋逝世，與牛頓和法拉第並排安葬，享年66歲。
科學成就
1、他關於放射性的研究確立了放射性是發自原子內部的變化。放射性能使一種原子改變成另一種原子，而這是一般物理和化學變化所達不到的；這一發現打破了元素不會變化的傳統觀念，使人們對物質結構的研究進入到原子內部這一新的層次，為開闢一個新的科學領域——原子物理學，做了開創性的工作。
4、他通過α粒子為物質所散射的研究，無可辯駁的論證了原子的核模型，因而一舉把原子結構的研究引上了正確的軌道，於是他被譽為原子物理學之父。由於電子軌道也就是原子結構的穩定性和經典電動力學的矛盾，才導致玻爾提出背離經典物理學的革命性的量子假設，成為量子力學的先驅。 5、人工核反應的實現是盧瑟福的另一項重大貢獻。自從元素的放射性衰變被確證以後，人們一直試圖用各種手段，如用電弧放電，來實現元素的人工衰變，而只有盧瑟福找到了實現這種衰變的正確途徑。這種用粒子或γ射線轟擊原子核來引起核反應的方法，很快就成為人們研究原子核和套用核技術的重要手段。在盧瑟福的晚年，他已能在實驗室中用人工加速的粒子來引起核反應。
桃李滿天下
當人們評論盧瑟福的成就時，總要提到他“桃李滿天下”。在盧瑟福的悉心培養下，他的學生和助手有多人獲得了諾貝爾獎金： 1921年，盧瑟福的助手索迪獲諾貝爾化學獎； 1922年，盧瑟福的學生阿斯頓獲諾貝爾化學獎；
1922年，盧瑟福的學生玻爾獲諾貝爾物理獎； 1927年，盧瑟福的助手威爾遜獲諾貝爾物理獎； 1935年，盧瑟福的學生查德威克獲諾貝爾物理獎； 1948年，盧瑟福的助手布萊克特獲諾貝爾物理獎； 1951年，盧瑟福的學生科克拉夫特和瓦耳頓，共同獲得諾貝爾物理獎； 1978年，盧瑟福的學生卡皮茨獲諾貝爾物理獎。 有人說，如果世界上設立培養人才的諾貝爾獎金的話，那么盧瑟福是第一號候選人。
趣聞軼事
1、有個外號叫“鱷魚”
盧瑟福從小家境貧寒，通過自己的刻苦努力，這個窮孩子完成了他的學業。這段艱苦求學的經歷培養了盧瑟福一種認準了目標就百折不回勇往直前的精神。後來學生為他起了一個外號——鱷魚，並把鱷魚徽章裝飾在他的實驗室門口。因為鱷魚從不回頭，他張開吞食一切的大口，不斷前進。
2、搖身一變成為“化學家”
1908年，盧瑟福獲得該年度的諾貝爾化學獎，他對自己不是獲得物理學獎感到有些意外，他風趣地說：“我竟搖身一變，成為一位化學家了。”“這是我一生中絕妙的一次玩笑！”
3、傑出的學科帶頭人
盧瑟福還是一位傑出的學科帶頭人，被譽為“從來沒有樹立過一個敵人，也從來沒有失去一位朋友”的人。在他的助手和學生中，先後榮獲諾貝爾獎的竟多達12人。1912年度諾貝爾物理學獎的獲得者玻爾曾深情地稱盧瑟福是“我的第二個父親”。 科學界中，至今還傳頌著許多盧瑟福精心培養學生的小故事。
4、是我製造了波浪
盧瑟福屬於那種“性格極為外露”的人，他總是給那些見過他的人留下深刻的印象。他個子很高，聲音洪亮，精力充沛，信心十足，並且極不謙虛。當他的同事評論他有不可思議的能力並總是處在科學研究的“浪尖”上時，他迅速回答道：“說的很對，為什麼不這樣？不管怎么說，是我製造了波浪，難道不是嗎？”幾乎所有的科學家都同意這一評價。
5、最後一個土豆
1895年，在農場挖土豆的盧瑟福收到了英國劍橋大學發來的通知書，通知他已被錄取為倫敦國際博覽會的獎學金生。盧瑟福接到通知書後扔掉挖土豆的鋤頭喊道：“這是我挖的最後一個土豆啦！”
