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(xiàn)了改變化學元素的人工核反應。古代煉金術(shù)士轉(zhuǎn)化元素的夢想終于變成了現(xiàn)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(zhì)發(fā)出的輻射》，這部著作是早期核物理學的總結(jié)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(guān)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(zhì)，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(shè)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(jié)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(shù)a粒子擊中硫化鋅屏上的閃爍次數(shù)，并與其他方法比較。結(jié)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(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。正是在這些目的明確、煩瑣、單調(diào)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(jié)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(xiàn)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(jié)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(xiàn)象出現(xiàn)時洞在它的本質(zhì)，分辨某些假說的正誤。例如也位子大角度散射瑰象出現(xiàn)未引起其學生蓋革夠的注意時，他就意識到原子內(nèi)部可能存在造成這種現(xiàn)象的核。馬斯登偶然發(fā)現(xiàn)0粒子轟擊氫原子產(chǎn)生類氫光譜的帶正電粒子，他意識到這可能是從氫原子內(nèi)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(lián)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(jié)一大批卓越的物理、化學和技術(shù)人才一起工作，他平易近人，知人善任，熱情關(guān)懷，精心培育。在j.湯姆孫和他兩代領(lǐng)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(cè)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(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。 實驗原理：1庫倫偏轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)角θ與瞄準距離b有如下關(guān)系：

ctg

?

2

?4??0

2eb

（3） 2

2ze

?2b2ze2

設(shè)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(guān)系：

y axis title

x axis title

(2)角度和n的關(guān)系圖：

y axis titlex axis title

(3)研究性內(nèi)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(nèi)的脈沖當成同幅度的脈沖進行計數(shù)的,因而可以保證在脈沖數(shù)較少的情況下的計數(shù),而多道分析器由于將脈沖幅度分的較細,因此在脈沖數(shù)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(shù)的時間長一些。

實驗誤差分析：實驗數(shù)據(jù)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(shù)，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(nèi)部分空氣，

但離真正的真空差的還很遠。

2．我們在同一偏轉(zhuǎn)角度和相同時間段的情況下，兩次讀數(shù)差別明顯，這與α粒子源輻射粒子的隨機性也有關(guān)。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(guān)，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(xiàn)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(jù)測定，現(xiàn)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(shù)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(chǎn)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(nèi)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(zhì)和核酸的生物小分子。編輯本段實驗步驟及結(jié)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(nèi)。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(nèi)的水煮沸，使水蒸汽(h2o)和混合氣體同在密閉的玻璃管道內(nèi)不斷循環(huán)，并在另一容量為5升的大燒瓶中，經(jīng)受火花放電(模擬雷鳴閃電)一周，最后生成的有機物，經(jīng)過冷卻后，積聚在儀器底部的溶液內(nèi)(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(jié)果此實驗結(jié)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(zhì)所含有的。以后，米勒認為，設(shè)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(wǎng)：www.7334dd.comson）測定電子的荷質(zhì)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(nèi)。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(jié)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(jù)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(jīng)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(nèi)，而且原子的全部質(zhì)量也集中在這個區(qū)域內(nèi)。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(jié)構(gòu)，為現(xiàn)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(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。

實驗原理

現(xiàn)從盧瑟福核式模型出發(fā)，先求α粒子散射中的偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角公式

設(shè)原子核的質(zhì)量為m，具有正電荷+ze，并處于點o，而質(zhì)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(zhì)量比α粒子的質(zhì)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(zhuǎn)?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(zhuǎn)

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ＴO(shè)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??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(zhuǎn)角θ與瞄準距離b有如下關(guān)系： ctg?

2?4??02eb（3） 22ze

?2b2ze2

設(shè)a?，則ctg?（4） 2a4??0e

這就是庫侖散射偏轉(zhuǎn)角公式。

（2）盧瑟福散射公式

在上述庫侖散射偏轉(zhuǎn)公式中有一個實驗中無法測量的參數(shù)b，因此必須設(shè)法尋找一個可測量的量代替參數(shù)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(guān)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(jīng)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(nèi)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(nèi)。

圖3.3-2α粒子的散射角與瞄準距離和關(guān)系

設(shè)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(nèi)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(shù)，以便與實驗進行比較，還必須考慮靶上的原子數(shù)和入射的α粒子數(shù)。

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(shè)單位體積內(nèi)原子數(shù)為n0,則體積st內(nèi)原子數(shù)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(nèi)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(nèi)?方向且在d?立體角內(nèi)測得的α粒子為：

?1??2ze2?d?ds??（7） dn?nn0t?s??nn0t??????s?4e?sin4?4??0?2

經(jīng)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(nèi)垂直入射一個粒子（n=1）時，被這個面積內(nèi)一個靶原子（n0t?1）散射到?角附近單位立體角內(nèi)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(shù)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(jié)構(gòu)成立，實驗中所用的核心儀器為探測器。 設(shè)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(nèi)所觀察到的α粒子總數(shù)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(nèi)射到靶上的α粒子總數(shù)。由于式中n、??、?等都是可測的，所以（10）式可和實驗數(shù)據(jù)進行比較。由該式可見，在?方面上??內(nèi)所觀察到的α粒子數(shù)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(guān)。 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(shù)率與靶厚度的線性關(guān)系n?t。

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

n?e2。

（3） 改變散射角，驗證散射計數(shù)率與散射角的關(guān)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(shù)率與靶材料核電荷數(shù)的

平方關(guān)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(shù)密度n進行修

正，這一實驗內(nèi)容的難度較大。

本實驗中，只涉及到第（3）方面的實驗內(nèi)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(jié)構(gòu)如圖3.3-3所示。

圖3.3-3盧瑟福散射實驗裝置的機械結(jié)構(gòu)

（1）散射真空室的結(jié)構(gòu)

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(zhuǎn)動機構(gòu)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(jié)構(gòu)

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(shù)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(shù)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(shù)率，這樣就需要經(jīng)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(shù)據(jù)便打開真空室轉(zhuǎn)換角度，只需在真空室外控制步進電機轉(zhuǎn)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(nèi)容

1．熟悉整個實驗的機械結(jié)構(gòu)和電子學系統(tǒng)的工作原理。

2．設(shè)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(shù)和有樣品時的散射粒子數(shù)。畫出

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

3．研究性內(nèi)容：在盧瑟福散射實驗中，如用多道分析器進行讀數(shù)測量，應如何設(shè)計實驗方案完成實驗，其中有哪些關(guān)鍵？

思考題

1．盧瑟福散射實驗中的實驗數(shù)據(jù)誤差應如何計算？

?2．根據(jù)盧瑟福公式?sin4()應為常數(shù)，本實驗的結(jié)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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