盧瑟福實驗證明了(精選多篇)

第一篇：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，最後以雲室照片證明了盧瑟福的正確而告終。這標誌着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於變成了現實!

此外，他還預言了重氫和中子的存在，這在後來都得到了證實。他同查德威克和艾利斯合作，於1930年出版了鉅著《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並具有當代水平。

在20世紀初葉物理學革命迅速發展時期，為什麼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)緊緊抓住關鍵問題紮紮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着一條紅線：透徹地研究α粒子的本質，並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祕。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苟，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説中，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，並與其他方法比較。結果使最頑固的懷疑者不得不心悦誠服。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”為題説過：“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，主要是由於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、敏鋭的洞察力和豐富偽科學直覺。他能在最易於被人們忽視的新一現象出現時洞在它的本質，分辨某些假説的正誤。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説：“盧瑟福無休止地工作，總是在研究新的課題──他發表的只是佔他工作的百分之幾，其餘的有的甚至他的學生也不知道。

天才來源於勤奮，盧瑟福也證明了這一點。

(4)盧瑟福善於識別、選擇和培養人才，並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，卡文迪什實驗室英傑輩出，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牆上，刻了一條鱷魚(這是盧瑟福的綽號人以此來讚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鬥爭的

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，説明α粒子散射實驗，驗證盧瑟福散射理論；並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，由能量和動量守恆定律可知：

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有如下關係：

ctg

?

2

?4??0

2eb

（3） 2

2ze

?2b2ze2

設a?，則ctg?

2a4??0e

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2．盧瑟福散射公式：???

d?nn0td???4??0

????

2

?2ze??4e?

2

?1? ?4?sin

2

2

所以角度與p的關係：

y axis title

x axis title

(2)角度和n的關係圖：

y axis titlex axis title

(3)研究性內容

應用多道分析器可將輸入的脈衝按其不同幅度送入相對應的道址中,而在實驗中,是將一定脈衝幅度範圍內的脈衝當成同幅度的脈衝進行計數的,因而可以保證在脈衝數較少的情況下的計數,而多道分析器由於將脈衝幅度分的較細,因此在脈衝數較少的情況下,測出的能譜圖並不能有較明顯的峯,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：

1 散射真空室並非真正的真空狀態，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：米勒的實驗證明了

米勒的實驗證明了

(1)現在遠離太陽、歷史上可能變化較小的巨行星(如木星和土星)，它們的大氣都是沒有遊離氧(o2)的還原性大氣，其主要成分是氫(h2)、氦(he)、甲烷(ch4)和氨(nh3);由此推測原始地球的大氣，大概也是這樣的還原性大氣。(2)據測定，現在能作用於地球大氣層的能源，主要是太陽輻射中的紫外線、雷電和宇宙射線等。其中宇宙射線不足以合成有機物，還原性氣體僅吸收短波紫外線，但短波紫外線(波長<1500埃)在太陽輻射紫外線中僅佔極微量，可作有機合成能源的量極少;而每年雷電次數較多，可作有機合成的能量較大，又在靠近海洋表面處釋放，這樣在原始地球還原性大氣中合成的產物就很容易溶於原始海洋之中。基於上述考慮，米勒在實驗室內進行了模擬原始地球還原性大氣中雷鳴閃電的實驗，看看能否合成有機物，特別是氨基酸、核糖、嘧啶、嘌呤等組成蛋白質和核酸的生物小分子。編輯本段實驗步驟及結果實驗裝置及操作如圖所示。

米勒的實驗

將水注入左下方的500毫升燒瓶內。先將玻璃儀器中的空氣抽去。然後打開左方的活塞，泵入ch4、nh3和h2的混合氣體(模擬還原性大氣)。再將500毫升燒瓶內的水煮沸，使水蒸汽(h2o)和混合氣體同在密閉的玻璃管道內不斷循環，並在另一容量為5升的大燒瓶中，經受火花放電(模擬雷鳴閃電)一週，最後生成的有機物，經過冷卻後，積聚在儀器底部的溶液內(圖中以黑色表示)(模擬原始大氣中生成的有機物被雨水衝淋到原始海洋中)。實驗結果此實驗結果共生成20種有機物(如表1所示)。其中11種氨基酸中有4種(即甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和穀氨酸)是生物的蛋白質所含有的。以後，米勒認為，設想原始地球還原性大氣的成分是ch4、n2、微量的nh3和h2o的混合氣體更為合理，因為nh3不可能在大氣中大量存在，它會溶於海水中。他和他的合作者於1972年在上述混合氣體中進行火花放電(來源説明好範 文網：)，結果得到35種有機物，其中有10種組成蛋白質的氨基酸，即甘氨酸(440微克分子，以下均同此單位)、丙氨酸(790)、纈氨酸(19.5)、亮氨酸(11.3)、異亮氨酸(4.8)、脯氨酸(1.5)、天冬氨酸(34)、穀氨酸(7.7)、絲氨酸(5.0)和蘇氨酸(～0.8)。若在分析之前進行水解，還可生成天冬醯胺和谷氨醯胺。若增加h2s，則可生成甲硫氨酸。在ch4、nh3、h2o和h2s混合氣體中進行光解作用，可以找到半胱氨酸。對ch4及其它碳氫化合物在高温下進行熱解，可以得到苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。到目前為止，用米勒模擬實驗和其它類似實驗，已能合成出20種天然氨基酸中的17種;其餘三種(賴氨酸、精氨酸和組氨酸)相信在改進技術之後，不久亦能合成。由此實驗可以證明：有無機物合成小分子有機物是完全有可能的。機理分析氨基酸生成的可能機理：米勒在火花放電的頭125小時內，不斷打開“u”形管的活塞抽樣，進行分析，發現首先合成了大量的氰化物和醛類;以後它們的合成速度逐漸下降，而在整個實驗期間，均以近乎恆定的速度合成氨基酸，就是説，首先甲烷與氨作用生成氰，甲烷與水作用生成醛類;然後氰、醛類與氨作用生成氨基腈(aminoni-trile);氨基腈水解就生成氨基酸。星際分子和隕石資料的佐證上述過程現今在宇宙和其他天體還在發生，星際分子和隕石中有機物的發現可以證明。據我國天文工作者統計，到1985年為止，已發現星際分子66種，其中除氨、氰等十幾種無機分子外，大都是含c的有機化合物如甲醛、甲醇、甲酸、乙醇、丙炔腈(n≡c-c≡ch)等。星際分子中甲醛和氰的量很大，與米勒放電實驗中最初的中間產物相同。當它們與氨反應再經水解就能生成氨基酸。1969年9月28日，一顆碳質球粒隕石(carbonaceouschon-drite)墮落在澳大利亞的麥啟遜(murchison)鎮，經克文沃爾登(volden)等化驗，發現含有18種氨基酸，其中有6種(甘、丙、纈、脯、谷、天冬)是生物所含有的，其種類與含量同米勒放電實驗生成的頗為相似(見表2)。此外，1971年沃森(-son)用紫外線照射含有nh3、ch2oh和hcho的混合氣體25天，結果獲得了甘氨酸、穀氨酸與少量的天冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、脯氨酸、亮氨酸和異亮氨酸。這個實驗沒有水，原料都是已知的星際分子。以上種種事實表明，原始大氣由無機物生成生物小分子不但是可能的，而且這種過程現在宇宙間仍在發生。編輯本段科學意義生命起源是一個極其複雜而又難以研究的問題。雖然19世紀70年代恩格斯在《反杜林論》中就指出：“生命的起源必然是通過化學的途徑實現的”;20世紀20年代奧巴林和霍爾丹也相繼提出生命起源的化學進化觀點，即認為在原始地球的條件下，無機物可以轉變為有機物，有機物可以發展為生物大分子和多分子體系，直到演變出原始的生命體;但這些都只是理論的推測，還缺乏令人信服的實驗證據。米勒首次在實驗室內模擬原始地球還原性大氣中的雷鳴閃電，結果從無機物合成出有機物，特別是多種組成蛋白質的氨基酸，這是生命起源研究的一次重大突破。後來，科學家們仿效米勒的模擬實驗，已合成出大量與生命有關的有機分子。例如，有人用紫外線或γ射線照射稀釋的甲醛(hcho)溶液獲得了核糖和脱氧核糖(1966);用紫外線照射hcn獲得了腺嘌呤和鳥嘌呤;用丙炔腈(n≡c-c≡ch)、kcn和h2o，在100℃下加熱一天得到了胞嘧啶(1966);將nh3、ch4、h2o與聚磷酸加熱到100～140℃獲得了尿嘧啶(1961);將腺嘌呤和核糖的稀溶液與磷酸或乙基偏磷酸鹽(ethyl-metaphosphate)放在一起，用紫外線照射，可生成腺苷(1977);將腺苷、乙基偏磷酸鹽封入石英玻璃管中用紫外線照射，可產生腺苷酸(a)(1966)。此外，長鏈脂肪酸也可通過在高壓下用γ射線照射乙烯和co2而獲得。可以説，幾乎全部的生物小分子，現在都可以通過模擬原始地球的條件，在實驗室內合成了。編輯本段對米勒實驗的質疑：(1)米勒試驗提供持續的電能，但是原始時代的地球不一定。(2)不能完全確定米勒試驗各物質濃度的配比。(3)氨基酸很可能是宇宙流星和彗星在撞擊地球的時候帶出的，因為當時這種現象十分普遍，科學證明氨基酸可以在宇宙的惡劣環境中存在。(4)地球的高温環境和強烈的紫外線會使有機物迅速分解。

第四篇：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着眼，探索物質組成及其內在機制的奧祕，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，從科學實驗上論證並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。

1 盧瑟福的生平

歐內斯特·盧瑟福(ernest rutherford)1871年8月31日出生於新西蘭的一個偏闢鄉村，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後來的發展影響很大，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，後又沿着氣體導電、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年盧瑟福由於研究放射性物質及對原子科學的傑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。

2 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，並將其分別命名為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於同一數量級。他還發現釷在放射性過程中產生的一種氣體，並把這種氣體命名為“釷射氣”。後來經實驗證實“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。後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。在這之後，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，最後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裏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“現代鍊金術”。 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並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，其後，湯姆遜提出了“葡萄乾布丁模型”，認為電子是原子的基本單位，正電均勻分佈在原子內，電子則由於與其他電子相排斥與正電體相吸引而處於原子內的平衡位置。這一模型缺乏實驗根據。

為了探索原子的祕密，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着相當大的空曠空間。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，原子中一定存在着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。通過反覆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裏出現了：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粒子散射實驗於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後，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。

4 首次實現人工核反應

繼發現原子核之後，盧瑟福於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。他在實驗室裏用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

此後，盧瑟福和他的學生用α粒子轟擊了元素週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。

這些元素髮生相應的核反應(碳和氧除外)，釋放出一個氫原子核，同時轉化為元素週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於，它為物理學開闢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，並取得了新的成就。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”。這一建議被科學界採納，並一直沿用到今天。

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，並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，他的學生查德威克於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，人們終於弄清楚了，原子核是由質子和中子組成的。質子和中子的發現對於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，刻苦鑽研，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裏度過的。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（son）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佈在整個原子空間，即在一個半徑r≈10-10m區間，電子則嵌在佈滿正電荷的球內。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（erford）等人的實驗否定這一模型。1909年盧瑟福和他的助手蓋革（er）及學生馬斯登（den）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粒子發生散射角大於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佈於整個原子，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，於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，説明α粒子散射實驗，驗證盧瑟福散射理論；並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，並處於點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，由能量和動量守恆定律可知：

2ze2m??2

2?2?（1） e????r?r????4??0r2??1

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有如下關係： 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有對應關係，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，經散射後必定向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係

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?範圍內的機率,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,

由於

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。

由於薄箔有許多原子核,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???sin4

22

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。由於式中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係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係

n?e2。

（3） 改變散射角，驗證散射計數率與散射角的關係n?1

sin4。這是盧瑟福散射擊中最突出

和最重要的特徵。

（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

平方關係n?z2。由於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、散射樣品台、?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，由於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()與散射角的關係圖，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．褚聖麟，原子物理學，北京：人民教育出版社，1979

（張道元 霍劍青）