α粒子散射实验带来的科学与技术的进步

α粒子散射实验带来的科学与技术的进步

卢瑟福的α粒子散射实验可以说的上近代科学发展史上最重要的物理实验之一，他不仅为建立原子的核式结构模型奠定了实验基础，而且还开创了一种重要的研究微观世界的科学方法——用高速粒子“轰击”。这一实验在科学发展史上具有里程碑式的意义，可以说它打开了微观世界的大门，同时也带来了研究微观世界的“钥匙”，直至今日，依赖于粒子加速器的高能物理学依然是最为尖端的学科，量子力学和相对论的研究都离不开这些长长的加速管道。

起初，卢瑟福设计将原子用高速粒子砸开之一大胆的想法其实是想验证1897年汤姆逊提出的原子“枣糕模型”。他用高速飞行、能量足够高的α粒子作为“炮弹”去“轰击”原子，根据α粒子飞行路径的改变，便可推算出原子的内部构造情况。实验所用装置如图所示,作为“炮弹”的α粒子由放射源R提供，金箔F则作为被轰击的靶。为了便于进行定量的讨论，在R的前方开一个狭缝，使得射到F上的α粒子束方向单一。尽管α粒子与靶原子的碰撞细节无法直接看到，但是它们的碰撞结果却会在荧光屏S上反映出来——打到S上的α粒子会使荧光屏发亮，这样的闪光可以用放大镜M观察。放大镜M可以绕着碰撞中心转动，这样就能够读出不同方向上（各种不同的θ角）被散射α粒子的个数。此外，为避免空气分子对α粒子的影响，整个实验都安排在真空中进行（放大镜M除外）。

这项实验开始进行的并不顺利，大多数α粒子轻易地穿透了金箔，直到1910年底，卢瑟福的学生盖革和马斯顿竟然观察到有些α粒子既然被金箔反弹回来了。用卢瑟福的话说这简直相当于一枚重磅炮弹（15英寸）去轰击一张薄纸，炮弹竟然被纸片弹了回去。后来通过进一步观察表明绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生可较大的偏，并且极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹。

卢瑟福根据实验现象经过分析后认为，汤姆逊的“枣糕模型”是错误的，因为电子的质量不到α粒子的1/7000，α粒子碰到它是不会发生运动方向的变化，而“枣糕模型”中认为原子内部正电荷均匀分布，原子穿过时收到的电荷斥力相互抵消，也不会发生偏转。卢瑟福认为少数α粒子发生了大角度偏转甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量、电量均比自身大很多的粒子的作用；而绝大多数电子穿过金箔时相当于穿过几千个金原子，但它的运动方向却没有改变，表明原子中绝大多数部分是很空的。由此，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构模型，认为原子的中心有一个很小的核，原子的全部正电荷和全部的质量几乎都集中在了原子核里，大夫点的电子在核外空间里绕着核旋转。

今天的我们回头看100年前这个精巧有趣的实验可以发现很多东西，比如卢瑟福设计实验的大胆创新与精巧构思，比如科学研究的执着认真，比如对于反常实验结果的思索等等，而我在这里想要说的是科学与技术之间的关系。

我们常常把科学与技术放在一起说，高校里院系一般都是××科学与技术学院，“科学”与“技术”作为两个不同的范畴，是对“科学是什么”的思考过程中不可绕开的部分。瓦托夫斯基如此定义科学：科学是一种用普遍的定律和原理建构的有组织的或系统化的知识体系。进一步来说，人们能够彻底理解自身所看到的自然现象的运作、根源、本质，并进一步运用获得的知识作为指导思想，对未来进行预测。因此严格意义上的“科学”进步终极目标是在改变世界的同时改变人们的世界观。与之相对应的，“技术”是解决现实世界中具体问题的能力和方法。科学与技术无疑关系紧密，科学的发展很大程度上会促进新技术的产生，而新的技术则也会促进科学的发展。但从本质上来说，他们又是矛盾的，科学是未知，是对未知世界的探索，而技术是已知，是对现有知识的应用。科学天然带有一种“破”，许许多多的科学发现往往会颠覆人们的对世界的认知，卢瑟福的发现推翻了汤姆逊的学说，而相对

论的提出也改变了从牛顿以来对于运动和引力的理解。科学更多的带有的前瞻性，许多的科学发现并不能像蒸汽机改变世界那样迅速的转化成实际效益，但科学永远是人类进步的基石。

联系我们自己，作为一个刚刚踏进科学研究的新人，对于科学与技术的认识我觉得有一下方面需要注意。一、不要被技术“绑架”。如今的技术日新月异，越来越多的研究手段、方法和技术被大家所熟知，技术对于大家的接受度更高，应用范围更广，而科学由于它的理论性和前瞻性，接收门槛高而范围相对窄，所以在我们的科研过程中，我们往往会盲目地选择更高端的仪器，更热门的研究技术，而忽略各种手段之间的内在联系，是否能够形式成完整的科学体系。现在的研究技术能够给我们带来海量的数据，而筛选出有科学价值的信息，形成具有突破性的科学发现才是科学研究的重点。影响世界的十大物理实验所用的仪器都很平常，他们的魅力在于实验设计的精巧严谨，在于对于实验结果的反复思考和充分分析。二、 科学精神就是不对实验结果进行主观臆断。科学与技术不同，技术是为了解决问题，但科学是为了发现问题，在我们进行课题研究时，特别是基础研究，往往会对实验结果抱有自己的期待值，但这种期待值往往是阻碍科学研究的力量。试想，如果卢瑟福如果对于反常结果持有悲观态度，不去发现其中蕴藏的科学解释，那实验也就毫无意义。

无论是做为科学研究者，还是应用研究者，科学与技术永远都是我们手中的利器，工欲善其事必先利其器，了解多学科的技术，钻研自己领域内的研究进展，都是我们自身需要积累的财富。