第一篇：盧瑟福與現代物理實驗

盧瑟福與現代物理實驗

20世紀初，一位偉大的物理學家從微觀的原子著眼，探索物質組成及其內在機制的奧秘，從而發現原子有核結構和人工打破原子核，實現元素的人工轉變，從科學實驗上論證并闡述了新的物質觀和科學觀，他就是被譽為“微觀宇宙之王”的盧瑟福。本文就盧瑟福對現代物理實驗的貢獻作一簡要介紹。盧瑟福的生平

歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)1871年8月31日出生于新西蘭的一個偏辟鄉村，其父是一個誠實而正直的農民和手工業工匠，其母是一位鄉村教師。自幼受到母親的良好教育和影響，中學階段是最拔尖的學生，在坎特伯雷學院的四年大學生活中，數學教授庫克和化學、物理教授畢克頓對他的學習和后來的發展影響很大，引導他走上了科學研究的道路。1895年盧瑟福有幸獲得新西蘭唯一的一個“大博覽會獎學金”名額赴英國劍橋大學師從J·J·湯姆遜讀研究生，先在無線電通訊方面嶄露頭角，后又沿著氣體導電、放射性、原子物理、核物理的順序做出一系列劃時代的重大發現。他一生的工作主要可分為加拿大的麥克吉爾大學時期(1898~1907)、英國曼徹斯特大學時期(1907~1919)和英國劍橋大學卡文迪許實驗室時期(1919~1937)。1908年盧瑟福由于研究放射性物質及對原子科學的杰出貢獻榮獲諾貝爾化學獎，1925年當選為英國皇家學會主席，1930年被英國女皇封為勛爵，1937年10月19日在英國不幸去世。創立“原子嬗變理論”

盧瑟福遵照其導師J·J·湯姆遜的建議，進入放射性元素的研究領域。在實驗中他首先發現了鈾的兩種射線，并將其分別命名為α射線和β射線；不久，他又發現這兩種射線都是帶電的粒子構成的，α粒子帶正電荷，其質量與原子的質量屬于同一數量級。他還發現釷在放射性過程中產生的一種氣體，并把這種氣體命名為“釷射氣”。后來經實驗證實“釷射氣”就是氦氣。他和他的助手還證實了鐳射氣是一種放射性氣體，其分子量比氫氣的分子量大幾十倍。后來經實驗證實了這種氣體是放射性氡。1903年，盧瑟福發表了題為《放射性變化》的學術論文，提出了“原子嬗變理論”。這個理論明確指出，放射性元素的原子在放射性過程中按一定規律不斷分裂，轉變為其他元素的原子，放射性過程是元素的嬗變過程，即一種元素轉化為他種元素的過程。在這之后，盧瑟福及其學生又作了一系列實驗，對“原子嬗變理論”進行驗證。1904年，他和他的學生在實驗中發現，鈾在放射性過程中發生一系列嬗變，最后生成沒有放射性的鉛。1908年，盧瑟福和他的學生蓋革在實驗室里觀察到了鐳放射出的單個的α粒子，這是人類首次觀察到單個的原子。盧瑟福還通過實驗證實了α粒子就

是失去負電荷的氦原子。這些科學成就當時曾轟動世界，被人們稱為“現代煉金術”。3 發現原子核，建立原子模型

“原子嬗變理論”的創立，只是盧瑟福一生科學事業的開端。他的最主要的貢獻是發現并證實了原子核的存在，建立了原子的有核模型。

1897年，J·J·湯姆遜發現了電子，其后，湯姆遜提出了“葡萄干布丁模型”，認為電子是原子的基本單位，正電均勻分布在原子內，電子則由于與其他電子相排斥與正電體相吸引而處于原子內的平衡位置。這一模型缺乏實驗根據。

為了探索原子的秘密，盧瑟福及其學生做了用高能α粒子束穿透金箔的實驗。實驗表明，α粒子束在通過金箔時，絕大多數都保持原來的運動方向，沒有受到阻擋，“如入無人之境”。這表明原子內部存在著相當大的空曠空間。但是，實驗還表明，約有1/8 000的α粒子通過金箔時改變了原來的運動方向，發生明顯的偏轉，個別的α粒子甚至被反彈回來。很明顯，原子中一定存在著體積極小但集中了全部正電荷的“核”，α粒子束通過金箔時，有極少數靠近了這個“核”，受到正電斥力的作用發生了散射；而絕大多數則沒有接近這個“核”，順利地按原來的運動方向通過了金箔。通過反復的實驗觀測和對實驗數據的理論計算，一幅真實的原子圖景在盧瑟福的腦海里出現了：在原子的中心，有一個帶正電荷核，其半徑約為3×10-13cm，它差不多集中了原子的全部質量；原子中的電子則圍繞這個核以極高的速度旋轉，軌道半徑為10-8cm左右。盧瑟福把這個帶正電荷的核命名為“原子核”。這就是盧瑟福根據α粒子散射實驗于1911年提出的原子有核模型。1913年，盧瑟福的學生玻爾(Bohr，1885~1962)把量子理論引入這個模型，從理論上解釋了原子的穩定性和原子線光譜。科學界把這個經玻爾進一步完善了的原子模型稱為“盧瑟福———玻爾模型。”

自從發現了原子核以后，人類對物質世界的認識便進入了一個新的層次———原子核層次。首次實現人工核反應

繼發現原子核之后，盧瑟福于1919年在科學史上第一次實現了元素的人工嬗變，即用人工方法實現了核反應。他在實驗室里用α粒子作“炮彈”轟擊氮，結果從氮原子核中擊出了氫原子，生成了氧的同位素

此后，盧瑟福和他的學生用α粒子轟擊了元素周期表上從硼到鉀的所有元素，成功地使。盧瑟福用下列核反應表述了這個核反應過程。

這些元素發生相應的核反應(碳和氧除外)，釋放出一個氫原子核，同時轉化為元素周期表上的下一位元素。

這是人類利用原子能的先導，它宣告了新的時代——原子能時代即將來臨。盧瑟福是這個新的原子能時代的第一位奠基人。這一偉大科學成就的意義還在于，它為物理學開辟了一個全新的研究領域——原子核物理學領域。科學界公認盧瑟福是“原子核物理學之父”。5 命名質子，預言中子

作為原子核物理領域的開創者和帶頭人，盧瑟福和他的助手及學生一起繼續進行艱辛的探索，并取得了新的成就。他成功地證明了氫的原子核是其他所有元素的原子核的組成部分。建議把氫的原子核命名為“質子”。這一建議被科學界采納，并一直沿用到今天。

1920年，盧瑟福預言組成原子核的另一個重要成員中子的存在，并相當詳細地描述了中子的特性。“中子”這個概念也是盧瑟福確定的。在盧瑟福的指導下，他的學生查德威克于1932年用α粒子轟擊了金屬鈹，釋放出一種質量與質子相同但不帶電荷的粒子，這就是中子。這一發現使盧瑟福12年前的預言在大部分細節上得到證實。查德威克因這一發現獲得了諾貝爾物理學獎。至此，人們終于弄清楚了，原子核是由質子和中子組成的。質子和中子的發現對于建立原子核結構理論具有關鍵性的意義。

盧瑟福數十年如一日勤奮好學，刻苦鉆研，把自己的一生獻給了人類的科學事業。他一生中的大部分工作時間是在實驗室里度過的。他心地坦誠，熱情無私，在他的學生和助手中，有10多人榮獲諾貝爾獎，盧瑟福是20世紀培養諾貝爾獎得主最多的科學家。正因為如此，新西蘭教育部長鮑伊斯稱盧瑟福是“現代科學之父”。

第二篇：盧瑟福散射實驗

盧瑟福散射實驗

實驗目的：本實驗通過盧瑟福核式模型，說明α粒子散射實驗，驗證盧瑟福散射理論；并學習應用散射實驗研究物質結構的方法。實驗原理：1庫倫偏轉角：

當α粒子進入原子核庫侖場時，一部分動能將改變為庫侖勢能。設α粒子最初的的動能和角動量分別為E和L，由能量和動量守恒定律可知：

2Ze2m??22?2?

（1）E????r?r????4??0r2??

mr??m?b?L（2）

2?

?

由（1）式和（2）式可以證明α粒子的路線是雙曲線，偏轉角θ與瞄準距離b有如下關系：

ctg

?

?4??0

2Eb

（3）2

2Ze

?2b2Ze2

設a?，則ctg?

2a4??0E

?1d?(?)dn

2．盧瑟福散射公式：???

d?nN0td???4??0

????

?2Ze??4E?

?1? ?4?sin

所以角度與P的關系：

Y Axis Title

X Axis Title

(2)角度和N的關系圖：

Y Axis TitleX Axis Title

(3)研究性內容

應用多道分析器可將輸入的脈沖按其不同幅度送入相對應的道址中,而在實驗中,是將一定脈沖幅度范圍內的脈沖當成同幅度的脈沖進行計數的,因而可以保證在脈沖數較少的情況下的計數,而多道分析器由于將脈沖幅度分的較細,因此在脈沖數較少的情況下,測出的能譜圖并不能有較明顯的峰,因此應用多道分析器時,應使計數的時間長一些。

實驗誤差分析：實驗數據與理論值存在較大誤差。理論上在真空條件下測量不同

?角度P＝?sin4()應該是一個常數，但圖中顯然不是。2

分析誤差：散射真空室并非真正的真空狀態，用抽氣機抽氣可以抽去真空室內部分空氣，但離真正的真空差的還很遠。

2．我們在同一偏轉角度和相同時間段的情況下，兩次讀數差別明顯，這與α粒子源輻射粒子的隨機性也有關。同時，我們組儀器的α粒子源單位時間放出的α粒子較少，這在一定程度上也會增大誤差，如果延長實驗時間，可以在一定程度上減少誤差。

3．可能與α粒子的不停衰變有關，考慮到半衰期，應該不是重要原因。

第三篇：盧瑟福實驗證明了

盧瑟福實驗證明了

：這一裝置的成本極為低廉，但用顯微鏡觀察屏上閃爍的工作極為艱苦!這一實驗的成功引起了一場熱烈爭論，最后以云室照片證明了盧瑟福的正確而告終。這標志著人類第一次實現了改變化學元素的人工核反應。古代煉金術士轉化元素的夢想終于變成了現實!

此外，他還預言了重氫和中子的存在，這在后來都得到了證實。他同查德威克和艾利斯合作，于1930年出版了巨著《從放射性物質發出的輻射》，這部著作是早期核物理學的總結并具有當代水平。

在20世紀初葉物理學革命迅速發展時期，為什么盧瑟福能取得其他人難以取得的一連串巨大成功，成為第一個深入原子宇宙的成功探索者?大體可以從以下幾方面來考察：

(1)緊緊抓住關鍵問題扎扎實實地進行一系列準確而簡單的實驗。盧瑟福一生的許多重大成就貫穿著一條紅線：透徹地研究α粒子的本質，并利用其巨大的能量與動量作為“炮彈”去轟擊原子和原子核，揭開原子組成與變化的奧秘。他極其熱愛實驗，允許助手和學生們大膽提出設想，但實驗時必須一絲不茍，提倡自制和利用最簡單的儀器，實驗結果必須絕對可靠。在19QS年諾貝爾化學獎受獎演說中，他描述了他和蓋革長時間利用低倍顯微鏡在暗室中“枯燥地”計數a粒子擊中硫化鋅屏上的閃爍次數，并與其他方法比較。結果使最頑固的懷疑者不得不心悅誠服。這樣的工作精神也導致大角度散射即原子有核結構的發現。正是在這些目的明確、煩瑣、單調的常規工作中，實驗者的耐心和毅力導致了輝煌的成就。

(2)理論與實驗的緊密結合。盧瑟福在1929年皇家學會曾以“理論與實驗”為題說過：“每一個新的實驗觀察立即被抓住，以檢驗它是否能被現有的理論所解釋。如果不能，就要尋求理論圖式中的改正……過去十年中物理學明顯的迅速發展，主要是由于理論與實驗的密切結合”。盧瑟福的c粒子散射公式的推導及有核模型的提出，就是一個光輝例證。

(3)特殊的勤奮、敏銳的洞察力和豐富偽科學直覺。他能在最易于被人們忽視的新一現象出現時洞在它的本質，分辨某些假說的正誤。例如也位子大角度散射瑰象出現未引起其學生蓋革夠的注意時，他就意識到原子內部可能存在造成這種現象的核。馬斯登偶然發現0粒子轟擊氫原子產生類氫光譜的帶正電粒子，他意識到這可能是從氫原子內打出的氫核…等等。盧瑟福驚人的工作毅力與極度勤奮，從他幾十年兩百多篇論文和三本專著中可以看出，他的學生前蘇聯卡皮查回憶說：“盧瑟福無休止地工作，總是在研究新的課題──他發表的只是占他工作的百分之幾，其余的有的甚至他的學生也不知道。

天才來源于勤奮，盧瑟福也證明了這一點。

(4)盧瑟福善于識別、選擇和培養人才，并能團結一大批卓越的物理、化學和技術人才一起工作，他平易近人，知人善任，熱情關懷，精心培育。在J.湯姆孫和他兩代領導下，卡文迪什實驗室英杰輩出，成為世界物理學研究的重要中心之一。這是他對科學事業的又一項貢獻。他的學生在劍橋皇家學會蒙得實驗室的大門右側墻上，刻了一條鱷魚(這是盧瑟福的綽號人以此來贊譽他勇往直前的堅毅性格和勉勵來者。

盧瑟福曾大聲疾呼，組織國際聲援抗-議法西斯德國對愛因斯坦等的迫-害，站在科學家反法西斯斗爭的

第四篇：三級大物實驗報告-盧瑟福散射實驗

實驗題目：盧瑟福散射實驗

實驗目的：通過盧瑟福核式模型，說明α粒子散射實驗，驗證盧瑟福散射理論；并學習應用散射實驗研究物質結構的方法。

實驗原理: α粒子散射理論

（1）庫侖散射偏轉角公式

設原子核的質量為M，具有正電荷+Ze，并處于點O，而質量為m，能量為E，電荷為2e的α粒子以速度?入射，當α粒子進入原子核庫侖場時，一部分動能將改變為庫侖勢能。設α粒子最初的的動能和角動量分別為E和L，由能量和動量守恒定律可知：

2Ze2m??

22?2?（1）E????r?r????4??0r2??

1mr??m?b?L（2）2??

由（1）式和（2）式可以證明α粒子的路線是雙曲線，偏轉角θ與瞄準距離b有如下關系：

ctg?

2?4??02Eb（3）2Ze2

?2b2Ze2設a?，則ctg?（4）2a4??0E

設靶是一個很薄的箔，厚度為t，面積為s，則圖3.3-1中的ds?2?，一個α粒子被一個靶原子散射到?方向、??d?范圍內的幾率,也就是α粒子打在環ds上的概率,即

ds2?bdb?ss

2?a2cos

?

8ssin3?d?(5)

2若用立體角d?表示,由于

d??2?sin

?4?sin?2d??

2cosd?2?

則 ds?有sa2d?16ssin4?d?(6)

為求得實際的散射的α粒子數，以便與實驗進行比較，還必須考慮靶上的原子數和入射的α粒子數。

由于薄箔有許多原子核,每一個原子核對應一個這樣的環,若各個原子核互不遮擋,設單位體積內原子數為N0,則體積st內原子數為N0st，α粒子打在這些環上的散射角均為?，因此一個α粒子打在薄箔上，散射到?方向且在d?內的概率為dsN0t?s。s

若單位時間有n個α粒子垂直入射到薄箔上，則單位時間內?方向且在d?立體角內測得的α粒子為：

?1??2Ze2?d?dsdn?nN0t?s??（7）?4E???4????nN0t?s??sin40??2

經常使用的是微分散射截面公式，微分散射截面 22

d?(?)dn1 ??d?nN0td?

其物理意義為，單位面積內垂直入射一個粒子（n=1）時，被這個面積內一個靶原子（N0t?1）散射到?角附近單位立體角內的概率。

因此，?1d?(?)dn???d?nN0td???4??0????2?2Ze2?1??（8）?4E???sin

422

這就是著名的盧瑟福散射公式。

代入各常數值，以E代表入射?粒子的能量，得到公式： d?1?2Z??1.296??d??E?sin4?2（9）

其中，d??的單位為mb/sr，E的單位為Mev。

盧瑟福理論的實驗驗證方法

為驗證盧瑟福散射公式成立，即驗證原子核式結構成立，實驗中所用的核心 儀器為探測器。

設探測器的靈敏度面對靶所張的立體角為??，由盧瑟福散射公式可知在某段時間間隔內所觀察到的α粒子總數N應是：

?1N???4??0?????2?Ze2??m?2

0???nt??T（10）?sin4?/2?2

式中N為該時間T內射到靶上的α粒子總數。由于式中N、??、?等都是可測的，所以（10）式可和實驗數據進行比較。由該式可見，在?方面上??內所觀

12察到的α粒子數N與散射靶的核電荷Z、α粒子動能m?0及散射角?等因素都

2有關。

實驗內容：

1.熟悉各裝置的作用和使用方法

2.調節樣品臺,使放射源對準探測器.蓋上真空室蓋,抽出真空室中的空氣.3.調節示波器,觀察輸出波形,調節線性放大器的放大倍數,使輸出波形最大不失真.4.調節步進機,在-5°到+5°范圍內每隔1°記下2秒內α粒子的計數,找到其中最大的計數,將該角度設置為0°.5.在30°到50°區間內每隔5°分別對α粒子計數,計數時間分別為200秒,400秒,600秒,1000秒,2000秒.6.作N?1的擬和曲線.sin4(?2)

實驗數據（原始數據紙質提交）：

做曲線擬合：

N200

180

160

140

120

??°

P0.8

40.82

0.80

0.78

0.76

0.74

0.72

0.70

0.68

??°

誤差分析：本實驗中有以下幾點可能產生誤差：

（1）選取初始位置時，很難做到取到嚴格的0度位置，這是因為在找初始

位置時是每隔1度取一個點，找N值最大點，1度對于精確的理論實驗來說，仍無法保證找到的就是嚴格意義上的0度點。

（2）本實驗采取的是統計規律的方法，而統計規律的基本要求就是大量重

復試驗，本實驗中記錄的5組數據偏少，并且在實驗中測量的時間偏短（測量的最短時間為200秒，最長的時間只是2000秒），在這樣一段時間內測量到的數據，不一定是輻射源在這個角度上單位時間內輻射出的粒子數，會與實際輻射數有一定的區別，這會使實驗數據不準確。

（3）放射性物質本身的不穩定性，使其在相同時間內輻射出的粒子數不都

相同，這就使原本測量時間就不很足夠的實驗變得更加不準確。

（4）實驗儀器的精度以及實驗者的經驗、實驗中的操作都可能帶來實驗誤

差。

思考題: 根據盧瑟福公式N?

試分析原因。

答:實驗結果有一定的偏差.有多方面的因素會使實驗結果產生偏差:

1.真空室并不是真正的真空,而是還殘存少量的空氣分子,這些空氣分

子有一定的概率與α粒子碰撞使α粒子發生偏轉.2.盧瑟福公式是在金箔靶足夠薄,僅有一層靶原子的理想實驗條件下的理論公式.而實際上金箔靶有一定的厚度, 少量α粒子可能發生多次散射.3.實驗結果的好壞還與探測器的性能有關.4.α粒子的計數服從統計規律,在有限次實驗的情況下偶然誤差無法

消除.1應為常數，本實驗的結果有偏差嗎？4sin(?2)

第五篇：盧瑟福散射實驗講義(中國科大)

實驗3.3盧瑟福散射實驗

盧瑟福散射實驗是近代物理科學發展史中最重要的實驗之一。在1897年湯姆遜（J.J.Thomson）測定電子的荷質比，提出了原子模型，他認為原子中的正電荷分布在整個原子空間，即在一個半徑R≈10-10m區間，電子則嵌在布滿正電荷的球內。電子處在平衡位置上作簡諧振動，從而發出特定頻率的電磁波。簡單的估算可以給出輻射頻率約在紫外和可見光區，因此能定性地解釋原子的輻射特性。但是很快盧瑟福（E.Rutherford）等人的實驗否定這一模型。1909年盧瑟福和他的助手蓋革（H.Geiger）及學生馬斯登（E.Marsden）在做α粒子和薄箔散射實驗時觀察到絕大部分α粒子幾乎是直接穿過鉑箔，但偶然有大約1/800α粒子發生散射角大于90。這一實驗結果當時在英國被公認的湯姆遜原子模型根本無法解釋。在湯姆遜模型中正電荷分布于整個原子，根據對庫侖力的分析，α粒子離球心越近，所受庫侖力越小，而在原子外，原子是中性的，α粒子和原子間幾乎沒有相互作用力。在球面上庫侖力最大，也不可能發生大角度散射。盧瑟福等人經過兩年的分析，于1911年提出原子的核式模型，原子中的正電荷集中在原子中心很小的區域內，而且原子的全部質量也集中在這個區域內。原子核的半徑近似為10－15m，約為原子半徑的千萬分之一。盧瑟福散射實驗確立了原子的核式結構，為現代物理的發展奠定了基石。

本實驗通過盧瑟福核式模型，說明α粒子散射實驗，驗證盧瑟福散射理論；并學習應用散射實驗研究物質結構的方法。

實驗原理

現從盧瑟福核式模型出發，先求α粒子散射中的偏轉角公式，再求α粒子散射公式。

1．α粒子散射理論

（1）庫侖散射偏轉角公式

設原子核的質量為M，具有正電荷+Ze，并處于點O，而質量為m，能量為E，電荷為2e的α粒子以速度?入射，在原子核的質量比α粒子的質量大得多的情況下，可以認為前者不會被推動，α粒子則受庫侖力的作用而改變了運動的方向，偏轉?角，如圖3.3-1所示。圖中?是α粒子原來的速度，b是原子核離α粒子原運動徑的延長線的垂直距離，即入射粒子與原子核無作用時的最小直線距離，稱為瞄準距離。

圖3.3-1α粒子在原子核的庫侖場中路徑的偏轉

當α粒子進入原子核庫侖場時，一部分動能將改變為庫侖勢能。設α粒子最初的的動能和角動量分別為E和L，由能量和動量守恒定律可知：

2Ze2m??

22?2?（1）E????r?r????4??0r2??

1mr??m?b?L（2）2??

由（1）式和（2）式可以證明α粒子的路線是雙曲線，偏轉角θ與瞄準距離b有如下關系： ctg?

2?4??02Eb（3）22Ze

?2b2Ze2

設a?，則ctg?（4）2a4??0E

這就是庫侖散射偏轉角公式。

（2）盧瑟福散射公式

在上述庫侖散射偏轉公式中有一個實驗中無法測量的參數b，因此必須設法尋找一個可測量的量代替參數b的測量。

事實上，某個α粒子與原子散射的瞄準距離可大，可小，但是大量α粒子散射都具有一定的統計規律。由散射公式（4）可見，?與b有對應關系，b大，?就小，如圖3.3-2所示。那些瞄準距離在b到b?db之間的α粒子，經散射后必定向θ到??d?之間的角度散出。因此，凡通過圖中所示以b為內半徑，以b?db為外半徑的那個環形ds的α粒子，必定散射到角?到??d?之間的一個空間圓錐體內。

圖3.3-2α粒子的散射角與瞄準距離和關系

設靶是一個很薄的箔，厚度為t，面積為s，則圖3.3-1中的ds?2?db，一個α粒子被一個靶原子散射到?方向、??d?范圍內的幾率,也就是α粒子打在環ds上的概率,即

ds2?bdb?ss

2?a2cos

?

8ssin3?d?(5)

2若用立體角d?表示,由于

d??2?sin

?4?sin?2d??cosd?22? ds則有?sa2d?16ssin4d?(6)

為求得實際的散射的α粒子數，以便與實驗進行比較，還必須考慮靶上的原子數和入射的α粒子數。

由于薄箔有許多原子核,每一個原子核對應一個這樣的環,若各個原子核互不遮擋,設單位體積內原子數為N0,則體積st內原子數為N0st，α粒子打在這些環上的散射角均為?，因此一個α粒子打在薄箔上，散射到?方向且在d?內的概率為dsN0t?s。s

若單位時間有n個α粒子垂直入射到薄箔上，則單位時間內?方向且在d?立體角內測得的α粒子為：

?1??2Ze2?d?ds??（7）dn?nN0t?s??nN0t??????s?4E?sin4?4??0?2

經常使用的是微分散射截面公式，微分散射截面

d?(?)dn1?? d?nN0td?22

其物理意義為，單位面積內垂直入射一個粒子（n=1）時，被這個面積內一個靶原子（N0t?1）散射到?角附近單位立體角內的概率。

因此，?1d?(?)dn???d?nN0td???4??0????2?2Ze2?1??（8）?4E???sin

422

這就是著名的盧瑟福散射公式。

代入各常數值，以E代表入射?粒子的能量，得到公式： d?1?2Z??1.296??d??E?sin4?

其中，d??2（9）的單位為mb/sr，E的單位為Mev。

2．盧瑟福理論的實驗驗證方法

為驗證盧瑟福散射公式成立，即驗證原子核式結構成立，實驗中所用的核心儀器為探測器。設探測器的靈敏度面對靶所張的立體角為??，由盧瑟福散射公式可知在某段時間間隔內所觀察到的α粒子總數N應是： ?1N???4??0?????2?Ze2??m?2

0???nt??T（10）?sin4?/2?2

式中N為該時間T內射到靶上的α粒子總數。由于式中N、??、?等都是可測的，所以（10）式可和實驗數據進行比較。由該式可見，在?方面上??內所觀察到的α粒子數N與散射靶的核電荷

12Z、α粒子動能m?0及散射角?等因素都有關。

2對盧瑟福散射公式（9）或（10），可以從以下幾個方面加以驗證。

（1）固定散射角，改變金靶的厚度，驗證散射計數率與靶厚度的線性關系N?t。

（2）更換α粒子源以改變α粒子能量，驗證散射計數率與α粒子能量的平方反比關系

N?E2。

（3）改變散射角，驗證散射計數率與散射角的關系N?

1sin4。這是盧瑟福散射擊中最突出

和最重要的特征。

（4）固定散射角，使用厚度相等而材料不同的散射靶，驗證散射計數率與靶材料核電荷數的平方關系N?Z2。由于很難找到厚度相同的散射靶，而且需要對原子數密度n進行修

正，這一實驗內容的難度較大。

本實驗中，只涉及到第（3）方面的實驗內容，這是對盧瑟福散射理論最有力的驗證。

3．盧瑟福散射實驗裝置

盧瑟福散射實驗裝置包括散射真空室部分、電子學系統部分和步進電機的控制系統部分。實驗

裝置的機械結構如圖3.3-3所示。

圖3.3-3盧瑟福散射實驗裝置的機械結構

（1）散射真空室的結構

散射真空室中主要包括有?放射源、散射樣品臺、?粒子探測器、步進電機及轉動機構等。放射源為241?m或238?u源，241?m源主要的?粒子能量為5.486?eV，238?u源主要的?粒子能量為

5.499?eV。

（2）電子學系統結構

為測量?粒子的微分散射截面，由式（9），需測量在不同角度出射?粒子的計數率。所用的?粒子探測器為金硅面壘Si(Au)探測器，?粒子探測系統還包括電荷靈敏前置放大器、主放大器、計數器、探測器偏置電源、NIM機箱與低壓電源等。

（3）步進電機及其控制系統

在實驗過程中，需在真空條件下測量不同散射角的出射?粒子計數率，這樣就需要經常地變換散射角度。在本實驗裝置中利用步進電機來控制散射角?，可使實驗過程變得極為方便。不用每測量一個角度的數據便打開真空室轉換角度，只需在真空室外控制步進電機轉動相應的角度即可；此外，由于步進電機具有定位準確的特性，簡單的開環控制即可達到所需精確的控制。

實驗內容

1．熟悉整個實驗的機械結構和電子學系統的工作原理。

2．設計實驗方案在真空條件下測量不同角度無樣品時的本底計數和有樣品時的散射粒子數。畫出

?sin4()與散射角的關系圖，驗證盧瑟福的散射公式中?sin4()應為常數P。22??

3．研究性內容：在盧瑟福散射實驗中，如用多道分析器進行讀數測量，應如何設計實驗方案完成實驗，其中有哪些關鍵？

思考題

1．盧瑟福散射實驗中的實驗數據誤差應如何計算？

?2．根據盧瑟福公式?sin4()應為常數，本實驗的結果有偏差嗎？試分析原因。2

參考資料

1．徐克尊，陳宏芳，周子舫．近代物理學．北京：高等教育出版社，1993

2．褚圣麟，原子物理學，北京：人民教育出版社，1979

（張道元 霍劍青）