摘要:从卢瑟福的一些表述出发,结合相关科学史料,浅析α粒子散射实验的前因后果,指出α粒子大角度散射现象的发现才是该实验的真正历史价值所在,提出将“α粒子散射实验”更名为“α粒子大角度散射实验”。同时对卢瑟福及α粒子散射实验的相关内容提出了教学建议。
关键词:α粒子散射;原子结构;行星模型
文章编号:1005-6629(2010)05-0056-04 中图分类号:G633.8 文献标识码:B
1 对卢瑟福论著中相关表述的分析
1.1 “α、β粒子与物质的原子碰撞之后,其直线运动会出现偏折”
高速粒子能穿越原子,其直线运动也会出现偏折。 卢瑟福在“物质对α、β粒子的散射和原子构造”[2]一文中提及这两点时,使用了“众所周知”一词,这说明在卢瑟福及其助手观测到α粒子大角度散射现象之前,这两点就已经是当时科学界认同的事实。因此可以说,这两个实验结果并非α粒子散射实验的“首创”,或者说并非α粒子散射实验的真正历史价值所在。
事实上,在J.J.汤姆孙(Joseph John Thomson,1856―1940)提出原子结构的“葡萄干面包模型”之后,也设计了X 射线和β射线的散射实验,希望通过射线和原子中电子的相互作用,探明原子内部电子的数目。但从各项散射实验的结果来看,与汤姆孙原先的假设存在一定的矛盾。汤姆孙假设原子中的正负电荷具有对称的性质,根据从电子荷质比实验中测得的电子质量(约为氢原子质量的1/1836),估算出原子中的电子数N约为原子量A的一千倍,即N=1000 A。
当时有很多科学家参与了这项探测工作,其中巴克拉(Barkla)通过X射线散射实验,得到的结果是N≈2A(A为原子量);而从β射线散射实验中得到的结果是N≈0.2A。1910年,克劳瑟根据汤姆生的β散射理论,推证得出N=3A,而卢瑟福从α散射实验中得到N≈(1/2)A的结论。据此,汤姆孙判定N与A为同一数量级。
可见,当时科学界所做的大量散射实验,有很大的可能是为了完善汤姆孙的模型,并确认原子内的电子数,从而为解释原子如何能保持其稳定状态等问题提供实验依据。卢瑟福作为汤姆孙的研究生,自然会参与到这项科研工作中去。
汤姆孙和他的同行们所进行的这些工作,打破了原子中正负电荷互相对称的观念,也为α粒子大角度散射实验――证实了原子核的存在,创造了思想上的可能性。
1.2“由于高速粒子(如α和β粒子)的巨大动能,它们应能穿过挡在其前进路线中的原子。通过对带电粒子与原子发生碰撞后偏离其直线轨道的研究,便可搞清楚原子中造成这种偏折的电力的强度和分布。[3]”
我们一直感兴趣于卢瑟福为什么会选择α粒子、怎么会想到用它去轰击氦核?从而观测到大角度散射的实验结果。也许从上面的这段话和以下的一些史实中我们能理出点线索来。
卢瑟福在1898 年研究放射性时发现α、β射线。1901～1903 年,卢瑟福精心设计实验,根据α射线在磁场中的偏转方向确定其带正电荷,接着又从电场和磁场的共同作用下,初步测出α粒子的荷质比与氢离子同数量级,速度大约为光速的十分之一。卢瑟福又于1909 年通过对镭射气进行放电实验,经光谱分析找到了其中含有氦的特征谱线,从而证明α粒子就是氦原子失去电子之后的氦离子(He2+)。
可见,卢瑟福对α粒子有长达十年的研究,与同时代其他科学家相比,他可能对α粒子性质有更为深入的了解。另从荷质比的数据可以推得,氦原子的质量是氢原子的4倍,由此α粒子具有比β粒子大得多的动量和能量。如果进行散射实验,α射线可能会比β射线更易于精确地“搞清楚原子中造成这种偏折的电力的强度和分布”[3]。这些结合在一起,或许是卢瑟福特别“钟情于”用α粒子进行散射实验的原因。
当然,卢瑟福长期利用α粒子进行轰击金箔等实验的另外一个原因,可能是基于一个很朴素的想法――要想了解原子内部的结构,那就先把它轰开了再说。1917年底在卢瑟福给玻尔的信中写道:“我试图用这种方法把原子击破”。1919年,卢瑟福在剑桥大学卡文迪什实验室判定氮原子在α粒子的轰击下发生了核的转变,从氮核中放出了氢核,他在论文中谈到:“如果α粒子――或类似的投射粒子――有更大的能量可供实验的话,我们就可以期望击破许多轻元素的核结构。”卢瑟福的研究开辟了人工核反应的道路。所以,当他的学生马斯登E.Marsden,1889-1970)1910年来到曼彻斯特大学后,卢瑟福让他用α粒子去轰击金箔(这类实验,卢瑟福和盖革已经做过多次,α粒子受金原子的影响稍微改变了方向,它的散射角度极小,他们以往的观测结果和汤姆逊的葡萄干蛋糕模型符合得很好),或许卢瑟福的本意只是为他提供一个机会去熟悉或锻炼基本的实验操作技能,以便于将来可以独立开展研究工作。马斯登有很高的实验素养和严谨的科学态度,这使他能在看似简单重复的实验和数据采集过程中,捕捉到实验中的很多反常细节,卢瑟福给这位学生定的研究方向也依然是继续研究α射线及用α粒子轰击各类物质,这也可以理解为是卢瑟福自己长期追求的实验目标。在α粒子大角度散射实验完成后的1914年,马斯登用闪烁镜观测α射线在空气中的射程时,注意到出现了一些射程特别长的粒子的反常现象,引起卢瑟福的注意,在反复实验后,实现了上面提到的人工核反应。
可见,卢瑟福选择α粒子作为轰击金箔和研究原子内部结构的“主力武器”,并非其突发奇想,而是其长期科学研究目标引导下的必然结果。选择这个具有相当大的动量并带有正电荷的“武器”,就为大角度散射实验以及之后有核原子模型的提出奠定了极为重要的实验基础。
1.3 “α射线中有一部分是经单次碰撞后出现的大于直角的偏折”
这是在卢瑟福的论文[2]中, 作为重要发现提出来的。1909 年,盖革和马斯登也在对该实验的报道中提到:“一部分落到金属板上的α粒子方向改变到这样的地步,以致于重现在入射的一边……入射的α粒子中每8000 个粒子有一个要反射回来”[4]。
这种实验结果是无法用J.J.汤姆生的“葡萄干面包”原子模型和散射理论解释的。即使用汤姆生后来提出的多次散射理论,也不足以说明这一反常现象,因为卢瑟福认为“如果把大角度偏折看成是多次小偏折累积造成的,则α粒子的大角度偏折也应按预期的概率规律有一定分布, (但实际上)并不服从这个概率规律”,且“经第二次碰撞产生大角度偏折的机会是极为微小的,与1/8000 的实验测定结果相去甚远”[2]。
正是有了α粒子大角度散射的实验事实作为依据,卢瑟福在论文[2]中确认了“正电荷集中在原子中心”, 并提出了有核原子模型(原子结构的行星模型)。
基于上述分析,我们认为α粒子大角度散射现象的发现才是α粒子散射实验的真正历史价值所在。
2关于卢瑟福及α粒子散射实验的教学建议
2.1避免两个认识误区
(1)误区一:先有原子结构的行星模型,再设计α粒子散射实验加以验证。
这是在教学中要严肃避免的一个误区,若处理不当,极易给学生留下将科学家“神化”的印象,这会将科学教育引向歧路。一个科学模型的提出,往往是建立在一定的实验证据基础上的,并非简单的凭空捏造或想象。按误区的提法进行教学,很容易给学生造成是因为想到了行星模型,再进行有针对性的实验设计,做出了三个实验现象(即直线穿过、少数偏转、极个别弹回),从而验证模型正确的误解,这是违背历史事实和实验逻辑的。
α粒子直线穿过、少数偏转是“葡萄干面包模型”也能解释的,是不足以引发卢瑟福推翻老师汤姆孙的理论而另起炉灶的,只有极个别直接弹回的现象才最终导致原子结构“行星模型”的提出。所以,“行星模型”的提出,主要是为了解释α粒子大角度散射现象。鉴于尊重史实,笔者建议,将中学教材中的“α粒子散射实验”更名为“α粒子大角度散射实验”,或许能有助于认清历史并尽可能地避免教学误区。
(2)误区二:卢瑟福是第一个提出有核原子模型的科学家。
这也是一个比较常见的认识误区。在人类认识原子结构的历程中,在卢瑟福提出原子有核模型之前,还有不少科学家,提出过核的概念。比较著名的有1901 年佩兰(Perrin)在论文中曾假设过类似的模型,即原子有正核,外面围绕着负电子。还有长岗半太郎在1903 年根据麦克斯韦的土星卫环理论推测原子的结构,也提出了原子核的观念,1904年,他在论文《用粒子系统的运动学阐明线光谱、带光谱和放射性》中提到:“粒子系统,是由很多质量相同的质点,联接成圆……在圆中心有一大质量的质点对其他质点以同样定律的力吸引”,他认为正负电荷是不能相互渗透的,于是提出了一种他称之为“土星模型”的结构――即围绕带正电的核心有电子环转动的原子模型。等等。这些都对卢瑟福提出自己的有核原子模型有重要的启发作用。这些模型提出后,并未引起大家的更多关注或认可,与它们缺乏必要的实验依据、多为猜想和假设有关。
卢瑟福与上述几位科学家的最大区别在于,原子结构的“行星模型”是有α粒子大角度散射实验的事实作为依据,他的实验方法和相关理论为正确研究原子结构开辟了一条新的途径,“行星模型”已不是一般意义上的假说或猜想。虽然,这个理论也是直到1914―1915年,经过更多科学家的实验和理论验证,才最终得到了世人的公认,但从此将人类对原子结构的认识带入了有核的全新阶段,这是卢瑟福和他的助手及α粒子大角度散射实验在科学史上的伟大功绩所在。
因此,笔者建议在教学中,教师应该更多地引导学生去认识:实验对于科学发展的意义和作用;科学家和科学研究更重实证。少去关注无谓的谁是第一发现者。
2.2 关注体会科学精神
2.2.1关注卢瑟福在α粒子大角度散射实验中的角色与作用
通过史料,我们很容易发现,α粒子散射实验的具体操作者和大角度散射现象的发现者,实际是卢瑟福的助手盖革和学生马斯登,那么,卢瑟福究竟起了什么作用呢?
盖革和马斯登在论文发表后又重新回到小角度散射实验的研究工作,卢瑟福则紧紧抓住这个容易被人们忽略的反常现象,敏锐地认识到“这一结果对于了解原子周围或原子内部的电场强度,带来了巨大光明”,“原子处于一个强电场中的结论是不可避免的,否则α粒子通过象一个分子直径这样小的距离而改变方向是不可能的”[2]。1909～1911年,卢瑟福从原子内存在强电场的角度,深入探索α粒子大角度散射的原因,从理论上探讨了能够产生α 粒子大角度偏折的简单原子模型,再将理论推导的计算结果与当时的实验数据比较,并由盖革和马斯登进一步对α粒子散射实验作了许多改进,测定了大量的数据,证实了卢瑟福的理论。
从中不难看出,对于异常现象关注的直觉敏锐性,对于细节研究的严谨实验态度,对于经典理论敢于突破束缚、进行开创性工作的能力,是卢瑟福对于α粒子大角度散射实验和行星模型提出的贡献所在,实至名归。而科研团队之间的配合和成员的科学素养也是至关重要的,没有盖革和马斯登在实验上的细致、敏锐、务实和创造能力,这一切同样难以获得。
卢瑟福知道自己的原子模型还很不完善,主要是对于原子稳定性问题和原子线光谱还不能作出很好的解释,在论文一开始, 就申明:“在现阶段,不必考虑所提原子的稳定性,因为显然这将取决于原子的细微结构和带电的组成部分的运动[2]”, 谦虚地承认自己模型的不足。1911 年4 月11 日卢瑟福在给友人波尔特武德(Boltwood)的信中写道:“希望在一、二年内能对原子构造说出一些更明确的见解”。反映出一个科学家严谨的科学态度。
2.2.2 了解当时的实验环境
19 世纪末到20世纪初,从事这项研究的科学家们,既没有现成的史料可查,更没有足够完善的理论可循,而且他们在实验室里使用的仪器也是极其简陋的,即使是在赫赫有名的英国卡文迪什实验室,仪器也多为自创自制。他们进行各种实验和观察,收集数据,总结经验,寻找规律,在未知的世界里探索前进。他们“用大的锡罐头皮做β和γ射线静电计,在它上面焊上更小些的烟草盒或香烟盒。因为没有琥珀,用硫磺作绝缘材料。为了观测α粒子散射到闪锌屏上的点,实验者用肉眼通过显微镜一个个计数,他们要在暗室中长时间地观测闪光,记录数据,需要实验者有足够的耐心和毅力,并要有严谨的科学态度,确保实验观察和记录的准确性。
随着科技的发展,目前的实验条件大为改观,人类创造了大量新的技术和仪器,但实验者的科学精神依然是保证实验成功和可靠性的重要保证。
在α粒子大角度散射实验背后有很多值得整理的教育教学素材。在科学教学中,除了知识,还应给带来学生更多的科学精神启迪和研究方法感悟,这或许就是上海二期课改新教材将这部分内容设置在高一第一章的用意所在。
2009年,α粒子大角度散射现象发现100周年,谨作此文以纪念之,重温历史,激励未来。因笔者才疏学浅,难免有表达不当之处,请同行们不吝指正。
参考文献:
[1]物理学史[M].北京:清华大学出版社.
[2]卢瑟福. 物质对α、β粒子的散射和原子构造[J]. 哲学杂志,1911(21):669.
[3]卢瑟福.《放射性物质及其辐射》[M].1913.
[4]H.Geiger and E.Marsden.Proc,Roy.Soc.A82(1909)p.495.