在物理学发展史上,有这样一个经典实验,它不仅揭示了原子结构的奥秘,还为现代原子模型奠定了基础。这个实验就是著名的“α粒子轰击金箔实验”,由英国物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)及其团队于1909年进行。
该实验的核心目的是为了验证当时流行的“葡萄干布丁模型”是否正确。根据这一理论,原子是由带正电的“布丁”和嵌入其中的带负电的“葡萄干”组成,整体呈电中性。然而,卢瑟福通过设计一个巧妙的实验,对这一假设提出了挑战。
实验中,卢瑟福使用了从放射性物质(如镭)中发出的α粒子,这些粒子是带有两个正电荷的氦原子核,质量较大且速度较快。他将这些α粒子射向非常薄的一层金箔,并在金箔周围放置了一个荧光屏,用于观察粒子的散射情况。
按照“葡萄干布丁模型”的预测,α粒子应该几乎不会发生偏转,因为它们的质量远小于原子的整体质量,而且正电荷分布较为均匀。但实验结果却出乎意料:大部分α粒子直接穿过金箔,几乎没有偏转;但有极少数的α粒子发生了大角度的偏转,甚至有些被反弹回来。
这一现象让卢瑟福震惊不已。他后来回忆说:“这就像你用一门大炮去轰击一张纸,结果炮弹却反弹回来一样。”由此,他推断出原子内部并非均匀分布的正电荷,而是有一个非常小但质量极大的核心——即原子核。而电子则围绕这个核运动,构成了原子的外围结构。
基于这一发现,卢瑟福提出了“行星模型”或“核式模型”,认为原子由一个带正电的中心核和绕核旋转的电子组成。这一模型虽然在后来被玻尔等人的量子模型所修正,但它为理解原子结构提供了关键性的突破。
α粒子轰击金箔实验不仅是科学史上的一个重要里程碑,也体现了实验方法在推动科学进步中的巨大作用。它证明了即使是最简单的实验,也可能带来最深刻的理论变革。今天,当我们学习原子结构时,仍然会回想起那个改变了人类对物质世界认知的经典实验。