ガイガー＝マースデンの実験
ガイガーによる1908年の論文 『物体によるアルファ粒子の散乱について』 では、次のような実験を記述している。 彼は2メートルに近い長いガラス管を作り、一方の端にはアルファ粒子の線源である多量の“ラジウムエマネーション” (R) を配置した。管の反対の端は蛍光板 (Z) で覆った。管の中央には0.9 mm 幅のスリットを設けた。 R からの粒子はスリットを通って、板上にあざやかな斑点を生成した。シンチレーションをカウントし拡がり具合を測定するには、顕微鏡 (M) を使った。ガイガーは管の空気を全部ポンプで抜いてアルファ粒子を妨害しないようにし、スリットの形に対応する鮮やかでクッキリした画像が板上に残るようにした。次に管に少し空気を残し、板上の斑点がもっと拡散するようにした。その後またポンプで空気を抜いて、AA のスリットにいくつかの金箔を置いた。これによって、斑点は再び拡散するようになった。この実験によって、空気によっても固体によってもアルファ粒子は間違いなく散乱することが示された。しかし、この装置では偏向の角度が小さいものしか検出できない。ラザフォードはアルファ粒子が 90° を超えるような、もっと大きな角度で散乱されていないかを知りたがった。
しかし、彼らはシンチレーションを使って、各金属箔によるアルファ線の飛程の減少を観測し、アルファ線に対する各金属の阻止能を空気当量に換算した。これらの箔による毎分のシンチレーション数をカウントし、その値を箔の空気当量で除算し、次に原子量の平方根で除算した。(ガイガーとマースデンは、異なる金属箔でも同じ空気当量であれば、単位面積あたりの原子数は原子量の平方根に逆比例すると考えていた。)このようにして、金属箔の単位体積当たりの原子数 n を知ると同時に厚さ t を揃えなくても、nt の値が同じである各金属箔によって生成されるシンチレーションの数を得ることができた。この数を各金属の原子量の2乗で除算すると、その値はほぼ同じであることが分かった。彼らは、s ∝ Qn を証明したのである。
最後に、ガイガーとマースデンはアルファ粒子の速度と散乱の関係 (ie if s ∝ 1/v ) をテストした。またも同じ装置を使って、アルファ粒子源の前に雲母のシートを被せて、アルファ粒子を減速した。実験誤差の範囲で、シンチレーションの数はまさしく 1/v に比例することが分かった。
1910年のガイガーの論文 『物質によるアルファ粒子の散乱』には、粒子が通過する物質、その物質の厚さ、粒子の速度にもとづいて、アルファ粒子が偏向する確率が最大の角度(最蓋然角)を求めるための実験が記述されている。彼は空気を抜いた気密のガラス管を作った。この一方の端には“ラジウムエマネーション”(ラドン-222)を入れたバルブ (B) をつけた。B 中のラドンは水銀を使って細いガラスのパイプに吸い上げられた。その端 A は雲母で栓をされている。管のもう一方の端には、蛍光の硫化亜鉛を塗った板を置いた。板上のシンチレーションを数えるための顕微鏡には、副尺(バーニヤ)つきの垂直のミリメートル目盛りが取り付けられており、ガイガーはスクリーン上の光の位置を正確に測定し、これから粒子の偏向角度を計算できた。A から放出されたアルファ粒子は、D の小円孔で絞られてビームになる。ガイガーは経路 D から E の途中に金属箔を置いて それによる光の位置の変化も観測した。また、雲母やアルミニウムのシートを A に置いて、アルファ粒子の速度を変えることもできた。
この測定から、ガイガーは次のように結論を出した。
物質の厚さが増すと、偏向角の最尤値は大きくなる
偏向角の最尤値は物質の原子量に比例する
アルファ粒子の速度が増すと、偏向角の最尤値は小さくなる
粒子が 90° を超えて偏向する確率は、ゼロに近いほど小さい