知微见著

李重要

摘 要：于细微处发现真理，在科学发现史上常有之。卢瑟福原子模型的提出就是一个典型的例子。在α粒子散射实验中，α粒子约有八千分之一的概率被靶原子反射回来。这一微小的反射概率却让卢瑟福惊讶不已，进而否定了早前的汤姆孙原子模型。根据动量定理和库仑定律，本文估算了α粒子与靶原子核之间的相互作用力，推算出原子核的合理大小约为原子大小的万分之一，与实际非常吻合。这些估算分析，可以很好地帮助初学者理解卢瑟福原子模型。

关键词：原子物理学; α粒子散射; 卢瑟福模型

中图分类号：G642.41              文献标识码：A    文章编号：1006-3315（2021）2-116-002

自2017年教育部发布《高校思想政治工作质量提升工程实施纲要》以来，“课程思政”在全国各高校迅速开展，已成为高校课程所必须具备的内涵之一。高校教师在课堂教学中除了传授知识，还需注重价值观的引领和传播，努力将社会主义的核心价值观有机地融入课程教学中，以彰显高等教育在价值引领和育人导向等方面的积极作用。在基础物理学的教学过程中，如何将“课程思政”融入课程教学，还有待深入探索。作为传统的理学学科，在物理学相关课程的教学中，培养学生尊重科学、理性批判、勇于探索的科学精神，既是课程本身的要求，也是“课程思政”的主要内容之一。回顾漫长的科学发现史，在科学研究的过程中，有时会遇到一些变化细微的现象，它们很容易被忽略，也确实常常被忽略，但有些人却对这些细微变化的现象开展细致入微的研究，从而做出了重大的科学发现。在近代物理学史上，卢瑟福原子核式结构模型的提出就是一个典型的例子，从中，我们不仅可以发现所谓“知微见著”的不易，还可以看到卢瑟福对实验事实的尊重、对早期原子模型的批判以及对未知领域的不懈探索。

1.α粒子散射实验

1897年，英国物理学家汤姆孙通过测量阴极射线管中带电粒子的荷质比，预言了电子的存在。电子带负电且质量远小于原子的质量，而原子呈电中性，因此，原子内部应该还有带正电的部分，它负担了原子大部分的质量。汤姆孙发现电子之后，对于原子内部正负电荷如何分布的问题提出了一个在当时看来较为合理的模型，即汤姆孙原子模型：正电荷均匀分布在整个原子球体内，而电子则镶嵌在其中。

1899年，英国物理学家卢瑟福发现了α衰变放射性，后来证实，α粒子实际上是高速运动的带两个正电荷单位的氦离子，即缺失了两个电子的氦原子。1909年，也许是为了检验汤姆孙原子模型的正确性，也许只是一时的心血来潮，卢瑟福提议他的助手盖革和学生马斯顿开展α粒子散射实验。所谓“散射”，指的是粒子流射入物体，与物体中的粒子相互作用，然后沿各个方向射出的现象。利用高速粒子（比如α粒子）去轰击原子（靶原子），根据入射粒子的散射情况，可以用来研究原子内部的结构。

在α粒子散射实验中，盖革和马斯顿发现α粒子在轰击靶原子时其散射角一般都很微小，但有大约八千分之一的概率被反射回来。八千分之一，可能在其他人看来是一个很小的概率，或可忽略，但在卢瑟福看来却是不可思议的。对于这样的实验事实，卢瑟福感到惊讶，他说：“这是我一生中碰到的最不可思议的事情。就像一枚15英寸的炮弹打在一张纸上又被反射回来一样。”在尊重实验事实的基础上，经过严谨的理论推导，卢瑟福否定了早前的汤姆孙模型，于1911年提出原子的核式结构模型。卢瑟福模型与汤姆孙模型的主要区别在于原子内部正电荷分布的范围大小。汤姆孙模型认为正电荷均匀分布在整个原子体积内，而卢瑟福模型则认为正电荷集中在原子内部非常小（约原子大小的万分之一）的范围内。

人们可能会觉得奇怪：八千分之一的小概率事件为何会让卢瑟福觉得不可思议并提出新的原子模型？我们可以借助经典力学中的动量定理，结合库仑定律，估算带正电的α粒子与靶原子中的正电荷（以下统称为靶原子核）之间的库仑排斥力的大小，以理解这一实验事实。

4.总结

基于α粒子散射实验，卢瑟福的助手盖革和学生马斯顿无意中发现了α粒子的大角度散射现象。尽管α粒子被反射回来的概率仅约八千分之一，但是早前的汤姆孙原子模型根本无法解释这一现象。根据动量定理和库仑定律，本文分别估算了α粒子与靶原子核之间的相互作用力。针对汤姆孙模型的计算发现，两种估算方法得到的数值大相径庭，大约相差了4个数量级！在汤姆孙模型中，α粒子与靶原子核之间的库仑排斥作用较弱，不足以使得高速运动的α粒子被反弹回来。这直观地解释了为何卢瑟福对实验结果感到不可思议。结合这两种估算方法，本文推算出原子核的合理大小约为原子大小的万分之一，与实际非常吻合！这直观地解释了为何卢瑟福提出原子的核式结构模型。关于原子模型的这些估算分析，可以很好地帮助初学者理解盧瑟福提出的原子核式结构模型。同时，这段近代物理学史也体现了科学家们尊重科学、理性批判、勇于探索的科学精神，值得人们学习。

上海高校课程思政领航计划精品课程建设项目资助

致谢：感谢上海市教育委员会和上海高校课程思政领航计划精品课程建设项目的资助。

参考文献：

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