ガイガー＝マースデンの実験
ラザフォードの指導を受けて、ガイガーとマースデンはアルファ粒子のビームを金属の薄い箔に当てて、蛍光板を使って散乱を測定する実験を繰り返した。彼らは金属箔からあらゆる方向に跳ね返るアルファ粒子を点として記録し、その結果、いくつかがアルファ粒子の線源方向に跳ね返ることが分かった。これはトムソンの模型によればありえないはずである。このモデルではアルファ粒子は真っ直ぐに通り抜けるからだ。明らかにこれらの粒子は、トムソンの模型が示すよりもはるかに大きな静電気力に遭遇している。つまり、原子の正電荷は、トムソンが想像したよりもずっと小さい容積に集中していることになる。
ガイガーとマースデンが金属箔にアルファ粒子を当てたとき、90°を超える偏向を示したのはほんの一部だけであった。ほとんどは、真っ直ぐに通り抜けた。これは、複数の強い正電荷の小さな球体が、大きなカラッポの空間によって隔てられていることを意味した。テニスボールを詰め込んだ大きなバッグを持って、雑木林の端に立ち、林に向かってテニスボールを目を瞑って投げるとしよう。大部分のボールは何にも当たらず飛んで行くが、いくつかは木の幹にあたりいろいろな方向に散乱される。ラザフォードが見たアルファ粒子の散乱のパターンは、これに似ている。金属箔本体の大部分はカラッポの空間なので、大部分の粒子は真っ直ぐに通り抜ける。しかし、いくつかは小さいがしっかりした障害物、すなわち原子の核に「ぶち当たる」
ラザフォードはトムソンの原子模型を棄て去り、その代わりに新たな原子模型を提案した。ラザフォードの模型では、原子は大部分がカラッポの空間であり、その正の電荷は中心の極小容積に集中しており、その回りを電子が取り巻いている。
64×10 kg
k = クーロンの定数 = 8.98×10 N·m/C
古典力学では、アルファ粒子の側面方向への運動量の変化 py は、それを力積に置き換え、力をクーロン力で表すと:
p y = F ̄ t < k Q α Q g r 2 ⋅ 2 r v {\displaystyle p_{y}={\bar {F}}t<k{\frac {Q_{\alpha }Q_{g}}{r^{2}}}\cdot {\frac {2r}{v}}}
tan  θ = p y p x < k Q α Q g r 2 ⋅ 2 r v ⋅ 1 m v = 8.987 × 10 9 ⋅ 3.204 × 10 − 19 × 1.266 × 10 − 17 ( 1.44 × 10 − 10 ) 2 ⋅ 2 × 1.44 × 10 − 10 1.53 × 10 7 ⋅ 1 6.645 × 10 − 27 × 1.53 × 10 7 {\displaystyle \tan \theta ={\frac {p_{y}}{p_{x}}}<k{\frac {Q_{\alpha }Q_{g}}{r^{2}}}\cdot {\frac {2r}{v}}\cdot {\frac {1}{mv}}=8.
これはガイガー・カウンターの初期バージョンであった。
ガイガーとラザフォードが作ったカウンターは、検出器中での空気分子とアルファ粒子の衝突による偏向が強すぎて信頼できないことが分かった。アルファ粒子の軌跡が非常に異なるために、気体を通過するときに生成するイオンの数が同じにはならないので、示度があてにならなかった。アルファ粒子は重いのでそんなに偏向するはずがないと考えていたラザフォードは、この問題に頭を悩ませた。彼はガイガーに、いったい何がどのくらいの量あって、アルファ線を散乱させているのかを調べるように指示した。
金属箔の厚さや材質によってアルファ粒子の散乱がどのように変化するかを観測するために、彼らの実験では金属箔にアルファ粒子を当てていた。粒子の軌跡を測定するのには、蛍光板を用いた。この板にアルファ粒子が当たると、ちっぽけな発光が起きる。ガイガーは暗い実験室で四時間ぶっ続けで、顕微鏡を使ってこのシンチレーションを数えた。ラザフォードはこのような忍耐力に欠けていたので、若者に頼ったのである。彼らはいろいろな金属箔を試したが、箔を薄くするには展延性のある金が最適であった。ラザフォードはアルファ粒子の線源には、ウランの数百万倍も放射性があるラジウムを選んだ。