卢瑟福散射实验

1. 首先，我们来理解20世纪初原子物理学面临的核心问题。在汤姆孙发现电子后，科学家们普遍认为原子是一个均匀的、带正电的“布丁”，其中镶嵌着带负电的电子（“葡萄干”），这被称为“葡萄干布丁模型”或“枣糕模型”。这个模型能解释原子的电中性，但无法解释某些新现象。

2. 为了探索原子内部结构，欧内斯特·卢瑟福和他的学生汉斯·盖革、欧内斯特·马尔斯登于1909年在曼彻斯特大学进行了一项关键实验。他们用一束高能的α粒子（氦原子核，带正电）作为“炮弹”，轰击一片极薄的金箔。α粒子由放射性元素镭产生，其能量很高，足以穿透金属薄片。

3. 实验的装置和核心观测方法如下：在一个抽成真空的容器中放置金箔，周围环绕着涂有硫化锌的荧光屏。当α粒子击中荧光屏时，会产生微弱的闪光。实验者用显微镜在暗室中观察不同角度上的闪光次数，从而统计α粒子被金箔散射到各个方向的概率。

4. 按照“葡萄干布丁模型”的预期，均匀分布的正电荷和质量对高速α粒子的偏转力很弱，α粒子应该像子弹穿过薄雾一样，绝大多数几乎是直线穿过金箔，最多只有极小的偏转。这是实验前的理论预测。

5. 然而，实验结果令人震惊。虽然绝大多数α粒子确实如预期一样直接穿过了金箔，但有大约1/8000的α粒子发生了超过90度的大角度偏转，甚至有的被直接反弹回来。卢瑟福后来描述说：“这就像你用一颗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。”

6. 这个“难以置信”的结果彻底否定了“葡萄干布丁模型”。卢瑟福经过严密的数学推导（基于库仑定律和经典力学），于1911年提出了全新的原子“行星模型”：原子的几乎全部质量和正电荷都集中在一个极其微小、致密的区域，称为原子核；电子则在很远的距离外绕核旋转，原子内部绝大部分是空虚的空间。

7. 理论解释的关键是：只有当α粒子非常接近一个质量大、电荷集中且与α粒子带同种正电的强排斥中心时，才会在强大的静电斥力下发生大角度散射。散射概率与原子核电荷数、α粒子能量、散射角度等存在定量关系，即卢瑟福散射公式。这个公式与实验数据完美吻合。

8. 卢瑟福散射实验的历史意义极为深远。它首次通过实验揭示了原子核的存在，将原子结构的研究从静态模型带入核式模型时代，是物理学史上“用粒子轰击探索微观结构”方法的开端。它直接启发了后来玻尔的原子模型，并为整个核物理学和粒子物理学的实验方法（如后来的粒子加速器）奠定了基石。