卢瑟福散射实验
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背景与目标：20世纪初，汤姆孙通过阴极射线实验发现了电子，并提出了原子的“葡萄干布丁模型”，认为正电荷均匀分布在整个原子球体内，电子镶嵌其中。卢瑟福为了探究原子内部结构，设计了一个实验，用高速带电粒子轰击极薄的金属箔，通过观察粒子的偏转情况来推断原子内部的质量和电荷分布。
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实验装置与原理：实验核心装置包括：一个放射性源（如镭）作为α粒子（带正电的氦核）发射器；一个准直系统（带小孔的铅板）以形成细束α粒子流；一片极薄的金箔（厚度仅约几百个原子）作为靶；一个带有荧光屏的显微镜，可绕金箔在360度范围内旋转，用于观察和统计α粒子轰击荧光屏后产生的闪烁光点。其基本原理是：如果原子的正电荷如汤姆孙模型所述是均匀分散的，那么带正电的α粒子穿过金箔时只会发生极其微小角度的偏转。通过测量α粒子在不同散射角上的分布，可以反推出原子内部的结构。
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实验过程与关键观测：将显微镜置于不同角度（包括大角度甚至背向入射方向）进行观测。实验发现，绝大多数α粒子几乎直线穿过了金箔，这表明原子内部大部分是空旷的。然而，有极少数α粒子（约万分之一）发生了超过90度的大角度偏转，甚至直接被反弹回来。卢瑟福对此感到极为震惊，他后来描述道：“这就像你用一枚15英寸的炮弹轰击一张卫生纸，结果炮弹被弹回来打中了你一样难以置信。”
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数据分析与模型建立：卢瑟福对观测到的散射角分布进行了定量分析。基于经典力学和库仑定律，他假设α粒子与原子中心一个带正电的、质量集中的小硬核发生散射。通过理论推导，他得出了“卢瑟福散射公式”，该公式预言了散射到某一角度范围内的α粒子数目与散射角、靶核电荷、α粒子初始能量等的数学关系。实验结果与该公式的预言高度吻合。
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结论与意义：实验直接否定了汤姆孙的均匀原子模型。卢瑟福据此提出了原子的“核式结构模型”：原子中心存在一个体积极小（直径约10^-14米，原子直径约10^-10米）、质量极大、带正电的原子核，核外电子在很大空间里绕核运动。该实验不仅开创了用粒子散射研究物质微观结构的新方法，也为后来玻尔提出原子量子模型、乃至现代核物理与粒子物理的发展奠定了基础。它展示了通过精心设计的散射实验来探测未知微观结构的强大威力。