卢瑟福α粒子散射实验原始论文翻译-黄鹏辉.pdf

目录

§1相关实验和理论介绍.....................................1
§2单次碰撞理论...........................................2
§3通过任意角度单次偏转的概率.............................3
§4遭遇原子时粒子速度的改变...............................4
§5单次散射和复合散射的比较...............................5
§6理论与实验的比较.......................................6
§7一般性考虑.............................................9

α和β粒子被物质散射以及原子结构

曼彻斯特大学卢瑟福山西吕梁朋友翻译北京黄鹏辉校对

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§1相关实验和理论介绍

众所周知，直线运动的α和β粒子在碰到物质原子时，运动方向会发生偏转。β粒子
的散射数目要比α粒子更多，因为β粒子的动量和能量要小得多。似乎已没有疑问，如此
迅速移动的粒子以其原来的路径穿过了原子，而观察到的偏转是由于遍布于原子系统内强
电场作用的结果。一般假设，一束α或β粒子射线在通过薄片物质时的散射，是物质原子
来回多次小散射的结果。然而，Geiger和Marsden对α射线散射的观察显示，某些α粒子
在单次碰撞时，一定会发生大于正常角度的偏转。例如，他们发现，一小部分入射α粒子，
大约20000个中有1个，在穿过厚度约为0.00004cm的金箔时平均偏转了90°的角度，如
此厚度的金箔阻止α粒子的能力相当于1.6mm厚度的空气。Geiger接着指出，一束α粒子
穿过以上厚度金箔最可能偏转的角度是0.87°。基于概率理论的一个简单计算表明，粒子
偏转90°的机会是微乎其微的。此外，稍后可以看出，如果这种大角度偏转是由许多小的
偏转组成，那么，这种大角度偏转的α粒子对各种角度的分布并不遵守预期的概率定律。
大角度偏转是由于单次原子碰撞的设想似乎是有道理的，因为第二次同样碰撞而产生大角
度偏转的概率在大多数情况下是很小的。一个简单的计算显示，原子必须具有强电场的核
心，才能在单次碰撞中产生如此大的偏转。
最近，J.J.Thomson提出了一种理论来解释带电粒子在通过很薄的物质时产生的散射。
他假设原子是由带N个负电荷的粒子构成，伴随着相同数量的正电荷，均匀地分布在整个
球内。负电荷粒子（如β粒子）在穿过原子时的偏转归结为两个原因——（1）分布在原
子内负电荷的斥力，（2）原子内正电荷的吸引力。粒子在经过原子时的偏转假设是很小的，
尽管在与一个很大质量m碰撞后的平均角度为m⋅θ，其中θ是对于单个原子的平均偏转。
这表明，原子内部的电子数N可以通过观察带电离子的散射推断出来。这个混合散射理论
的精确性在后来Crowther的一篇论文中做了实验检验。Crowther的实验结果明显地确认了
Thomson理论的主要结论，而且Crowther基于正电荷的连续性假设推导出，原子中的电子
数大约是原子重量的三倍。
J.J.Thomson理论是基于“单次原子碰撞产生的散射是很小的”这个假设。而且对原
子特殊结构的假设也不允许α粒子在穿过单个原子时有很大的偏转，除非假设正电荷球的
直径与原子球的直径相比是极小的。
由于α和β粒子穿过了原子，通过对偏转本质的密切研究而形成关于原子结构的某些
看法，从而产生观察到的效应，这是很有可能的。事实上，高速带电粒子被物质原子散射
就是解决这个问题最有希望的方法之一。开发出为单个α粒子计数的闪烁法就提供了独特
的研究优势，而H.Geiger正是通过这种方法的研究，已经为我们增加了很多关于α射线被
物质散射的知识。

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§2单次碰撞理论

我们先从理论上检验与简单结构原子的单次碰撞，这种碰撞能够使α粒子产生大角度
偏转。然后我们再将理论结果与可用的实验数据进行比较。
考虑一个原子，在其中心包含有±Ne的电荷，其周围环绕着∓Ne的相反电荷，且相反
电荷均匀分布在半径为R的球面内，e为电荷的基本单位，在本文中取4.65×10−10E.S.单
位。我们将假设距离的数值都小于10−12cm，原子中心电荷与α粒子的电荷都集中在一点上。
可以看出，这个理论的主要结论与原子中心电荷的正负无关，但是为方便起见，我们把中
心电荷标记为正。假设原子的稳定性问题暂时不需要考虑，因为稳定性显然依赖于原子的
微细结构和带电部分的运动。
为了形成让α粒子偏转到一个大角度的力的某些观点，我们考虑一个中心带正电荷Ne
的原子，其周围环绕着均匀分布在半径为R的