Tán xạ hạt alpha của Rutherford — Mô phỏng phòng thí nghiệm 3D
Khám phá chấn động về hạt nhân nguyên tử siêu đặc
Cơ sở lý thuyết & Bối cảnh phát minh
Bắn chùm hạt alpha qua lá vàng siêu mỏng, Rutherford nhận thấy phần lớn hạt đi thẳng, nhưng khoảng 1/8000 hạt bị bật ngược lại với góc lớn hơn 90°. Thí nghiệm chứng minh nguyên tử phần lớn là rỗng, toàn bộ điện tích dương và khối lượng tập trung ở hạt nhân siêu nhỏ tại tâm.
Định luật: Tán xạ Coulomb hạt nhân & Cấu trúc nguyên tử | Nhà khoa học: Ernest Rutherford | Năm công bố: 1911
Mục tiêu học tập & Chuẩn đầu ra
- ✓ Giải thích vì sao sự tán xạ ngược của hạt alpha đã bác bỏ hoàn toàn mô hình bánh mì mận của J.J. Thomson.
- ✓ Tính khoảng cách tiếp cận gần nhất khi hạt alpha va chạm trực diện với hạt nhân: r_min = 2kZe² / E_k.
- ✓ Khảo sát công thức tiết diện tán xạ vi phân Rutherford: dσ/dΩ tỷ lệ nghịch với sin⁴(θ/2).
Công thức toán học & Hệ phương trình vi phân
F(r) = (1 / 4πε₀) · ( (2 · Z · e²) / r² )
Tương tác đẩy giữa hạt alpha (q=2e) và hạt nhân kim loại (q=Ze)
dσ/dΩ = ( (z · Z · e²) / (16πε₀ · E_k) )² · ( 1 / sin⁴(θ / 2) )
Xác suất tán xạ tỷ lệ nghịch với sin bậc 4 của nửa góc tán xạ
d_min = (2 · Z · e²) / (4πε₀ · E_k)
Đạt được trong va chạm xuyên tâm trực diện (θ = 180°)
Bảng thông số vật lý & Đơn vị đo lường
| Ký hiệu | Đại lượng vật lý | Đơn vị SI | Mặc định |
|---|---|---|---|
| Z | Số hiệu nguyên tử kim loại (Vàng = 79) | — | — |
| E_k | Động năng chùm hạt alpha (MeV) | — | — |
| θ | Góc lệch tán xạ (°) | — | — |
Ứng dụng thực tế & Kỹ thuật công nghiệp
Quang phổ kế tán xạ ngược Rutherford (RBS) để phân tích cấu trúc màng mỏng bán dẫn không phá hủy mẫu.
Thiết kế hình học đầu dò máy gia tốc hạt năng lượng cao trong máy va chạm hạt lớn CERN LHC.
Tính toán tấm chắn bảo vệ phóng xạ hạt nhân và quang phổ phân rã phóng xạ alpha.
Quy trình thực nghiệm 3 bước có kiểm soát
- Bước 1: Thiết lập ban đầu — Khởi động môi trường mô phỏng ở trạng thái chuẩn, quan sát chuyển động tự do của hệ.
- Bước 2: Điều chỉnh biến số độc lập — Thay đổi từng thông số vật lý (vận tốc, độ cứng, điện trở, tần số kích thích) bằng thanh trượt điều khiển.
- Bước 3: Thu thập dữ liệu & Kiểm chứng — Đối chiếu đường cong không gian pha và biểu đồ bảo toàn năng lượng với nghiệm giải tích số.
Câu hỏi thường gặp & Giải thích chuyên sâu (FAQ)
Ý nghĩa câu nói nổi tiếng của Rutherford khi so sánh tán xạ hạt alpha với bắn đạn đại bác vào giấy lụa?
Mô hình Thomson cho rằng điện tích dương phân bố loãng trong toàn bộ thể tích nguyên tử, không thể tạo ra điện trường đủ lớn để bẻ gãy quỹ đạo hạt alpha bay nhanh. Sự dội ngược chứng tỏ toàn bộ điện tích dương và khối lượng tập trung ở một hạt nhân siêu nhỏ và đậm đặc.
Kích thước của hạt nhân nguyên tử nhỏ hơn kích thước toàn bộ nguyên tử bao nhiêu lần?
Đám mây electron của nguyên tử có bán kính cỡ 10⁻¹⁰ mét (1 Ångström), trong khi hạt nhân vàng chỉ cỡ 10⁻¹⁴ mét. Hạt nhân nhỏ hơn nguyên tử khoảng 10.000 lần, nghĩa là nguyên tử hầu như trống rỗng trên 99,9999999999999% thể tích.
Tại sao hạt alpha không xâm nhập được vào bên trong hạt nhân vàng trong các thí nghiệm sơ cấp?
Cả hạt alpha (+2e) và hạt nhân vàng (+79e) đều mang điện tích dương cùng dấu. Lực đẩy tĩnh điện Coulomb cực mạnh tạo nên một hàng rào thế năng đẩy hạt alpha quay đầu trước khi lực hạt nhân mạnh có thể tiếp cận.
Thí nghiệm liên quan cùng chuyên ngành
Mô phỏng tương tác: Ứng dụng 3D thời gian thực WebGL đang khởi chạy trong trình duyệt. Người học có thể xoay 360°, phóng to chi tiết thiết bị thí nghiệm và xuất dữ liệu chuỗi thời gian.