DSE 物理 · 原子物理 · 核式結構

盧瑟福散射實驗模擬

探索 α 粒子散射實驗，理解原子的核式結構模型

🎯 實驗目標

模擬盧瑟福（Rutherford）著名的 α 粒子散射實驗，觀察 α 粒子通過金箔時的偏折角度分佈，理解原子的核式結構模型

📝 實驗步驟

1️⃣

開始實驗

點擊開始發射 α 粒子

2️⃣

觀察軌跡

追蹤粒子與金原子核的交互

3️⃣

調整發射率

改變粒子發射頻率觀察統計

4️⃣

分析數據

觀察偏折角度分佈圖

α 粒子散射模擬

總粒子數: 0
● 金原子核  |  ● α 粒子

* 大部分粒子穿越原子間真空區而不受偏折

📊 偏折角度分佈 (-180° 至 180°)
-180°
0°
+180°
📋 詳細統計數據（每 10°）

💡 觀察重點：絕大多數 (>99%) 粒子幾乎直線穿過，極少數 (<0.01%) 發生大角度散射

8 粒子/幀
低速 極速
小角度 (< 10°)
0%
中角度 (10-90°)
0%
大角度 (> 90°)
0%

👀 觀察重點

1️⃣

絕大多數直線穿過

超過 99% 的 α 粒子幾乎不偏折，說明原子內部極為空曠

2️⃣

少數發生偏折

少量粒子發生顯著偏折，說明存在帶正電的核心

3️⃣

極少數大角度反彈

約 1/8000 粒子反彈超過 90°，說明核心質量極大

💡 概念理解

🔬 實驗背景

1909年，盧瑟福指導蓋革和馬斯登進行此實驗，用 α 粒子（氦原子核）轟擊金箔。當時流行的是湯姆森的「葡萄乾布丁」模型

⚛️ 核式模型

實驗結果表明：原子的全部正電荷和幾乎全部質量集中在極小的原子核內，電子在核外軌道運動

📐 散射公式

盧瑟福散射公式預測散射角分佈與 $\sin^4(\theta/2)$ 成反比，與實驗結果高度吻合

💫 庫侖排斥

α 粒子與金原子核都帶正電，根據庫侖定律 F ∝ 1/r²，距離越近排斥力越大

📚 DSE 考試重點

1️⃣

現象 A - 絕大多數直穿：超過 99% 的 α 粒子幾乎不偏折直接穿過金箔。結論：原子內部大部分是空曠的空間

💡 記憶要點：「空」→ 大多數不偏折

2️⃣

現象 B - 少數偏折：少量粒子發生顯著角度偏折。結論：原子內存在帶正電的中心（原子核）

💡 原因：α 粒子與原子核的庫侖排斥力

3️⃣

現象 C - 極少數反彈：約 1/8000 粒子被反彈超過 90°。結論：原子核質量集中且遠大於 α 粒子

💡 類比：網球撞牆會反彈，撞氣球則不會

4️⃣

核式模型要點：原子核的直徑約 10⁻¹⁵ m，原子直徑約 10⁻¹⁰ m，相差約 10⁵ 倍。原子核佔原子體積的極小部分，卻包含幾乎全部質量

💡 比喻：若原子是足球場，原子核只有一粒米大小