盖革-马斯登实验和卢瑟福模型

1909年，曼彻斯特的两位研究者盖革（H.Geiger）和马斯登（E.Marsden）利用α粒子去轰击碾得非常薄的金箔。研究入射的α粒子飞行径迹的改变，可以获得α粒子与原子的相互作用的一些信息。按汤姆孙的模型，原子为一个正电荷均匀分布于其中的小球，所以单个原子对α粒子的作用是微弱的；实验观察到α粒子偏离原先径迹应是其经多个原子作用发生多次小偏转的累积效果，从统计学可知，偏转的粒子数正比于exp（-Θ）2，Θ是α粒子的散射偏转角。显而易见，散射粒子在Θ角增大时将迅速减少，比如当Θ—3°时，探测到的粒子应当不多于总粒子数的10-4。

但是，盖革和马斯登发现，这个比例不是10-4，而是10-2。系统的测量甚至还发现了Θ—150°的粒子，而按汤姆孙模型，被射入这个角的可能性小于10-3500，几乎等于零。这对汤姆孙模型是一次致命的打击。

汤姆孙先前的助手卢瑟福考察了这一实验。由经典力学的散射规律，大角度散射的α粒子，只可能是在质量很大的刚性体上反射的。卢瑟福假定原子与α粒子之间的相互作用是单纯的库仑斥力，并由此推出，原子质量大约凝聚在一个半径仅为10-14米的微小区域内，他称这种质量的凝聚点为原子的核。于是，卢瑟福得到了如下图景：原子由一个假定的凝聚在一点的中央荷电体和等量的、符号相反的补偿电荷组成，后者均匀地分布在原子内。这种补偿电荷，卢瑟福推测为电子，由于其质量极小，所以对散射α粒子无贡献（图1）。但是，对于这些电子的分布以及这样的原子的稳定性，他未作更深入的探究。进一步的研究表明，这样的原子即使存在，其光谱也不会是宽度清晰的线光谱而应当是散漫的连续光谱。(https://www.daowen.com)

图1　卢瑟福所绘原子-α粒子散射轨迹图

O点为原子核所在位置，α粒子从P点入射，被原子核偏转以后从P'点反射出来。(https://www.daowen.com)