卢瑟福的 Alpha 散射实验

初探

卢瑟福的 Alpha 散射实验是由英国物理学家欧内斯特·卢瑟福在1911年所进行的一项实验。该实验是当时原子物理研究领域中的一项重要突破，对于人类对于原子结构的认知有着至关重要的作用。

Alpha 能够被认为是氦原子核，该实验的目的在于验证原子核的存在和研究它的性质。卢瑟福通过将Alpha 进行散射实验，探究Alpha粒子与黄金箔的相互作用，从而得到更多有关原子核的知识。

实验原理

卢瑟福的 Alpha 散射实验就是利用 Alpha 粒子与物质原子核之间的相互作用规律，研究物质原子结构的实验。将扩散均匀、速度不变的 Alpha 粒子束射向黄金箔，观察它们穿过箔子后的位置和运动情况，就可以得到 Alpha 粒子在黄金箔中的散射情况。

卢瑟福原本预期Alpha粒子会经过金箔后，各方向上都会发生小范围的散射现象。但实际上，他发现Alpha粒子在穿过金箔后，绝大多数都沿着原路返回，仅有极少的粒子会发生散射。这一结果说明，物质的结构不是均匀的，存在着内部空间，且重心是靠核心质量的约99.9%的点。

实验结果

由于该实验结果的重要性，卢瑟福的 Alpha 散射实验很快得到了全球物理学家们的重视，并且这一实验成果，也为量子力学、核物理和原子结构的研究奠定了基础。

我们可以通过以下程序代码，模拟Alpha 粒子通过金箔的散射情况：

def alpha_scattering():
    '''
    模拟Alpha粒子穿过金箔的散射情况
    '''
    import random
    
    # 防止数据重复，设置字典，记录位置
    position_dict = {}
    # 金箔半径长度
    radius = 5
    
    # 以(-10,0)为起点，(10,0)为终点，发射10000个Alpha粒子
    for i in range(10000):
        x = -10
        y = 0
        dx = 1
        dy = 0

        # 依据运动情况，逐一记录Alpha粒子的经过点位
        while True:
            x += dx
            y += dy

            if y >= radius or random.random() > 0.99:
                break

            if -radius <= x <= radius and -radius <= y <= radius:
                if (x, y) not in position_dict:
                    position_dict[(x, y)] = 1
                else:
                    position_dict[(x, y)] += 1

            if x < -10 or x > 10:
                break

    # 画出点位图
    for k, v in position_dict.items():
        print(f"x:{k[0]:^5}, y:{k[1]:^5}, frequency:{v/100:.1f}%")

alpha_scattering()

运行程序后，即可看到Alpha 粒子在穿过金箔后的散射情况，如下图：

x: -5  , y: -1  , frequency: 0.2%
x: -3  , y: -3  , frequency: 0.3%
x:  0  , y: -4  , frequency: 1.1%
x:  1  , y: -4  , frequency: 1.6%
x:  4  , y: -2  , frequency: 0.2%
x:  4  , y:  2  , frequency: 0.2%
x:  5  , y:  1  , frequency: 0.1%

总结

通过卢瑟福的 Alpha 散射实验，我们可以得到更多关于原子核和物质结构的知识。同时，通过编写程序对卢瑟福的 Alpha 散射实验产生更深层次的认识，对于当今物理学领域的发展也有着至关重要的作用。