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(fā)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(fā)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(fā)現。正是在這些目的明確、煩瑣、單調的常規(guī)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(fā)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(fā)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(fā)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(yǎng)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(yè)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?yōu)閹靵鰟菽�。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

?

2

?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

????

2

?2ze??4e?

2

?1? ?4?sin

2

2

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：

1 散射真空室并非真正的真空狀態(tài)，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游離氧(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，現在能作用于地球大氣層的能源，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占極微量，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于原始海洋之中。基于上述考慮，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。然后打開左方的活塞，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(huán)，并在另一容量為5升的大燒瓶中，經受火花放電(模擬雷鳴閃電)一周，最后生成的有機物，經過冷卻后，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沖淋到原始海洋中)。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、天冬氨酸和谷氨酸)是生物的蛋白質所含有的。以后，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，它會溶于海水中。他和他的合作者于1972年在上述混合氣體中進行火花放電(來源說明好范 文網：m.hmlawpc.comson）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(qū)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(fā)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(qū)，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(fā)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(fā)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(qū)域內，而且原子的全部質量也集中在這個區(qū)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(fā)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(fā)，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?yōu)閹靵鰟菽堋ＴOα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??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(tǒng)計規(guī)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(huán)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(huán)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(huán),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(huán)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?1

sin4。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(tǒng)部分和步進電機的控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)

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(huán)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(tǒng)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）

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