Chemistry Lab
Interactive Science Exhibit
卢瑟福
金箔散射实验
发射 α 粒子，观察它们穿过薄金箔后的轨迹。极少数粒子的剧烈转向，最终改写了人类对原子结构的理解。
α 粒子散射模拟器
实验已暂停 · 等待发射
近似直穿
小角偏转
大角偏转
反向散射
Latest event
点击“开始实验”或“单粒子”观察散射
散射角 θ
—
碰撞参数 b
—
散射角分布
横轴为散射角 θ，纵轴为粒子数量
结果构成
分类阈值：3°、15°、90°
近似直穿
0.0%
小角偏转
0.0%
大角偏转
0.0%
反向散射
0.0%
观察提示
统计模式下，大角度偏转和反弹本来就极少。持续运行一段时间，更接近实验的真实统计特征。
01 / Observations
屏幕上的三种现象，指向同一个原子结构。
荧光屏上的每个闪光点，都代表一颗 α 粒子到达屏幕。关键不只在“看见偏转”，还在不同偏转出现的比例。
绝大多数直接穿过
多数 α 粒子的方向几乎不变，说明它们穿过原子时没有遇到大范围、致密的物质。
少数发生明显偏转
α 粒子与原子内部高度集中的正电荷接近时，受到同号电荷之间的强烈排斥。
极少数甚至反弹
只有正面逼近一个非常小、非常致密且带正电的区域，才会出现超过 90° 的反向散射。
02 / Conclusion
葡萄干布丁模型解释不了反弹。
如果正电荷均匀铺满整个原子，单次作用太弱，不足以让高速 α 粒子突然折返。实验要求原子内部存在一个极小而强的正电中心。
原子的绝大部分空间是空的。
正电荷与绝大部分质量集中在极小的原子核中。
03 / Model
碰得越近，转得越狠。
模拟器使用经典卢瑟福散射关系计算角度，再用平滑曲线展示轨迹。改变靶核电荷或粒子能量，结果会立刻变化。
散射角模型
θ = 2 tan−1(a / |b|)
其中 a 与靶核电荷 Z 成正比，与 α 粒子能量 E 成反比。碰撞参数 |b| 越小，粒子越接近原子核，散射角 θ 越大。
θ 散射角
b 碰撞参数
Z 靶核原子序数
E α 粒子能量
真实尺度有多悬殊？
原子半径
≈10⁵ fm
金原子核
≈7 fm
如果把原子放大成一座直径 100 米的体育场，原子核只相当于场地中央的一颗小豆子。页面为了让实验可见，已经把原子核和金箔厚度放大了很多。
教学模型说明
二维动画是三维散射的投影；忽略电子屏蔽、能量损失、量子效应和多重散射。原子核视为固定点电荷。
04 / Questions
检查你是否真的看懂了实验。
先根据模拟结果自己回答，再展开查看答案。
为什么绝大多数 α 粒子能够直接穿过金箔？
因为原子内部绝大部分是空的，原子核占据的体积极小。绝大多数 α 粒子不会靠近原子核，因此方向基本不变。
为什么少数 α 粒子会发生大角度偏转？
α 粒子带正电，原子核也带正电。粒子非常接近原子核时，同号电荷之间产生强烈静电斥力，使其运动方向大幅改变。
提高 α 粒子的能量，散射角通常会怎样变化？
散射角通常减小。能量更高的粒子速度更快，同样的库仑斥力更难改变它的运动方向。
为什么实验推翻了汤姆孙的“葡萄干布丁模型”？
均匀分散的正电荷只能产生许多微弱作用，无法解释极少数 α 粒子的剧烈偏转和反弹。实验说明正电荷必须高度集中在极小的原子核内。