你打過保齡球嗎？

沉重的保齡球撞上球瓶

全倒的滋味讓人回味無窮

在我們的想像中

保齡球撞向球瓶時

保齡球只會偏轉

甚至筆直的滾進球道後方

如果某天你突然發現

保齡球撞向球瓶後

不只不向前滾動

甚至還反彈了回來

那你一定覺得見鬼了

這樣的事情

卻在物理學家拉塞福身上發生了

二十世紀初

物理學家湯姆森

在實驗中發現

陰極射線是由帶有負電

且質量只有氫的兩千分之一的電子組成

湯姆森認為

原子是由許多帶負電的電子

均勻的懸浮在帶正電的物質中

被稱為葡萄乾布丁模型

在當時的科學界

最熱門的就是「放射線」的研究

放射線不但可以穿透人體

照出人體中的骨骼、內臟

還具有穿透金屬薄片等等的特性

湯姆森的學生拉塞福

在研究放射線時發現了α粒子

透過荷質比的測量

他們得出

α粒子帶有正電

可能是沒有電子的氦原子

也就是我們所說的

氦原子核

但在當時的科學界還沒有原子核的概念

只知道

α粒子是一種帶有正電的粒子

為了驗證湯姆森的葡萄乾布丁模型

拉塞福設計了一個實驗

他將具有放射性的金屬

放入開有小孔的鉛盒中

α粒子會從鉛盒筆直射出

撞擊到另一側設置的金箔

金箔周遭設有觀測用的螢光幕

當α粒子打在螢光幕上

會產生微小的閃點

科學家就可以透過閃點記錄α粒子散射後的位置

依照湯姆森的假設

原子中電子的質量極小

較重的α粒子不會受其影響

而原子內正電荷平均分散在內部

同樣帶有正電的α粒子

受到兩側的作用力

大部分會抵銷

只會發生小角度的偏轉

照理說α粒子應該要全部穿過金箔

不過實驗結果卻發現

雖然大部分的α粒子

都依照預測穿過金箔

但少數的α粒子

卻產生大角度的偏轉

甚至有極少的粒子直接被反彈了回來

這讓拉塞福很驚訝

並認為

這個結果如同你用砲彈

朝著一張衛生紙射擊

而炮彈卻被反彈回來打到你自己一般地難以置信

現在讓我們一起想想看

假設你朝著球瓶丟出保齡球

卻發現

保齡球被反彈回來時

可能的原因有哪些？

你可能會想到

是不是遇到了整人遊戲

球瓶根本比保齡球重

或是球瓶跟保齡球帶著同性電會互相排斥

保齡球才會被反彈回來？

同樣的

拉塞福也在思考

α粒子為什麼會被反彈回來

他首先想到

α粒子帶正電

會反彈α粒子的

應該也是帶正電的物質

但在實驗觀測中

只有約八千分之一的α粒子

會產生大角度的偏折

表示這個會影響α粒子的正電物質

應該只集中在一個很小很小的範圍中

再結合了湯姆森模型中說到

原子帶負電的電子質量極小

而帶正電的物質占了原子大部分的質量

他得出

原子的正電以及質量

應該會集中在一個非常小的空間裡

並把這個空間稱作「原子核」

這樣就會與實驗中大部分α粒子直接通過原子

只有少部分靠近原子核的α粒子

才會被原子核正電彈開的結果相符

於是

拉塞福在1911年提出了原子的「行星模型」

他認為

原子核位於原子的中央

而質量較輕的電子

則如行星一樣

環繞著原子核運行

這個模型透過理論計算出來的結果

與實際實驗吻合

從此確定了原子核的存在

我們來思考一下這個問題

拉塞福的α粒子散射實驗

經過科學家不斷研究並持續累積經驗

在現代被用於分析

測量材料的結構和組成

主要原理

就是將確定能量的高能離子束

打到需要分析的材料上

透過檢測反射離子的能量

來確定靶原子的種類、濃度和深度分布

我們來總結一下這支影片的學習內容

拉塞福運用α粒子撞擊金箔

並觀測α粒子散射的狀態

發現

大部分的α粒子會直接通過金箔

少部分的α粒子

會產生大幅度的偏折

極少部分的α粒子會直接被反彈回來

拉塞福提出原子的「行星模型」

他認為

原子質量集中於中央原子核並帶正電

而質量較輕的電子則如行星一般

環繞著原子核運行

在剛剛的影片中

我們知道

拉塞福是用帶有正電的α粒子來撞擊金箔

是那如果我們用不帶電的粒子撞擊金箔時

會發生什麼事呢？

歡迎留言分享你的想法

我們下次見

bye bye