第一篇：卢瑟福实验证明了
卢瑟福实验证明了
：这一装置的成本极为低廉，但用显微镜观察屏上闪烁的工作极为艰苦!这一实验的成功引起了一场热烈争论，最后以云室照片证明了卢瑟福的正确而告终。这标志着人类第一次实现了改变化学元素的人工核反应。古代炼金术士转化元素的梦想终于变成了现实!
此外，他还预言了重氢和中子的存在，这在后来都得到了证实。他同查德威克和艾利斯合作，于1930年出版了巨著《从放射性物质发出的辐射》，这部著作是早期核物理学的总结并具有当代水平。
在20世纪初叶物理学革命迅速发展时期，为什么卢瑟福能取得其他人难以取得的一连串巨大成功，成为第一个深入原子宇宙的成功探索者?大体可以从以下几方面来考察：
(1)紧紧抓住关键问题扎扎实实地进行一系列准确而简单的实验。卢瑟福一生的许多重大成就贯穿着一条红线：透彻地研究α粒子的本质，并利用其巨大的能量与动量作为“炮弹”去轰击原子和原子核，揭开原子组成与变化的奥秘。他极其热爱实验，允许助手和学生们大胆提出设想，但实验时必须一丝不苟，提倡自制和利用最简单的仪器，实验结果必须绝对可靠。在19qs年诺贝尔化学奖受奖演说中，他描述了他和盖革长时间利用低倍显微镜在暗室中“枯燥地”计数a粒子击中硫化锌屏上的闪烁次数，并与其他方法比较。结果使最顽固的怀疑者不得不心悦诚服。这样的工作精神也导致大角度散射即原子有核结构的发现。正是在这些目的明确、烦琐、单调的常规工作中，实验者的耐心和毅力导致了辉煌的成就。
(2)理论与实验的紧密结合。卢瑟福在1929年皇家学会曾以“理论与实验”为题说过：“每一个新的实验观察立即被抓住，以检验它是否能被现有的理论所解释。如果不能，就要寻求理论图式中的改正……过去十年中物理学明显的迅速发展，主要是由于理论与实验的密切结合”。卢瑟福的c粒子散射公式的推导及有核模型的提出，就是一个光辉例证。
(3)特殊的勤奋、敏锐的洞察力和丰富伪科学直觉。他能在最易于被人们忽视的新一现象出现时洞在它的本质，分辨某些假说的正误。例如也位子大角度散射瑰象出现未引起其学生盖革够的注意时，他就意识到原子内部可能存在造成这种现象的核。马斯登偶然发现0粒子轰击氢原子产生类氢光谱的带正电粒子，他意识到这可能是从氢原子内打出的氢核…等等。卢瑟福惊人的工作毅力与极度勤奋，从他几十年两百多篇论文和三本专著中可以看出，他的学生前苏联卡皮查回忆说：“卢瑟福无休止地工作，总是在研究新的课题──他发表的只是占他工作的百分之几，其余的有的甚至他的学生也不知道。
天才来源于勤奋，卢瑟福也证明了这一点。
(4)卢瑟福善于识别、选择和培养人才，并能团结一大批卓越的物理、化学和技术人才一起工作，他平易近人，知人善任，热情关怀，精心培育。在j.汤姆孙和他两代领导下，卡文迪什实验室英杰辈出，成为世界物理学研究的重要中心之一。这是他对科学事业的又一项贡献。他的学生在剑桥皇家学会蒙得实验室的大门右侧墙上，刻了一条鳄鱼(这是卢瑟福的绰号人以此来赞誉他勇往直前的坚毅性格和勉励来者。
卢瑟福曾大声疾呼，组织国际声援抗-议法西斯德国对爱因斯坦等的迫-害，站在科学家反法西斯斗争的
第二篇：卢瑟福散射实验
卢瑟福散射实验
实验目的：本实验通过卢瑟福核式模型，说明α粒子散射实验，验证卢瑟福散射理论；并学习应用散射实验研究物质结构的方法。 实验原理：1库伦偏转角：
当α粒子进入原子核库仑场时，一部分动能将改变为库仑势能。设α粒子最初的的动能和角动量分别为e和l，由能量和动量守恒定律可知：
2ze2m??22?2?
（1） e????r?r????4??0r2??
mr??m?b?l（2）
2?
?
由（1）式和（2）式可以证明α粒子的路线是双曲线，偏转角θ与瞄准距离b有如下关系：
ctg
?
2
?4??0
2eb
（3） 2
2ze
?2b2ze2
设a?，则ctg?
2a4??0e
?1d?(?)dn
2．卢瑟福散射公式：???
d?nn0td???4??0
????
2
?2ze??4e?
2
?1? ?4?sin
2
2
所以角度与p的关系：
y axis title
x axis title
(2)角度和n的关系图：
y axis titlex axis title
(3)研究性内容
应用多道分析器可将输入的脉冲按其不同幅度送入相对应的道址中,而在实验中,是将一定脉冲幅度范围内的脉冲当成同幅度的脉冲进行计数的,因而可以保证在脉冲数较少的情况下的计数,而多道分析器由于将脉冲幅度分的较细,因此在脉冲数较少的情况下,测出的能谱图并不能有较明显的峰,因此应用多道分析器时,应使计数的时间长一些。
实验误差分析：实验数据与理论值存在较大误差。理论上在真空条件下测量不同
?角度p＝?sin4()应该是一个常数，但图中显然不是。 2
分析误差：
1 散射真空室并非真正的真空状态，用抽气机抽气可以抽去真空室内部分空气，
但离真正的真空差的还很远。
2．我们在同一偏转角度和相同时间段的情况下，两次读数差别明显，这与α粒子源辐射粒子的随机性也有关。同时，我们组仪器的α粒子源单位时间放出的α粒子较少，这在一定程度上也会增大误差，如果延长实验时间，可以在一定程度上减少误差。
3．可能与α粒子的不停衰变有关，考虑到半衰期，应该不是重要原因。
第三篇：米勒的实验证明了
米勒的实验证明了
(1)现在远离太阳、历史上可能变化较小的巨行星(如木星和土星)，它们的大气都是没有游离氧(o2)的还原性大气，其主要成分是氢(h2)、氦(he)、甲烷(ch4)和氨(nh3);由此推测原始地球的大气，大概也是这样的还原性大气。(2)据测定，现在能作用于地球大气层的能源，主要是太阳辐射中的紫外线、雷电和宇宙射线等。其中宇宙射线不足以合成有机物，还原性气体仅吸收短波紫外线，但短波紫外线(波长<1500埃)在太阳辐射紫外线中仅占极微量，可作有机合成能源的量极少;而每年雷电次数较多，可作有机合成的能量较大，又在靠近海洋表面处释放，这样在原始地球还原性大气中合成的产物就很容易溶于原始海洋之中。基于上述考虑，米勒在实验室内进行了模拟原始地球还原性大气中雷鸣闪电的实验，看看能否合成有机物，特别是氨基酸、核糖、嘧啶、嘌呤等组成蛋白质和核酸的生物小分子。编辑本段实验步骤及结果实验装置及操作如图所示。
米勒的实验
将水注入左下方的500毫升烧瓶内。先将玻璃仪器中的空气抽去。然后打开左方的活塞，泵入ch4、nh3和h2的混合气体(模拟还原性大气)。再将500毫升烧瓶内的水煮沸，使水蒸汽(h2o)和混合气体同在密闭的玻璃管道内不断循环，并在另一容量为5升的大烧瓶中，经受火花放电(模拟雷鸣闪电)一周，最后生成的有机物，经过冷却后，积聚在仪器底部的溶液内(图中以黑色表示)(模拟原始大气中生成的有机物被雨水冲淋到原始海洋中)。实验结果此实验结果共生成20种有机物(如表1所示)。其中11种氨基酸中有4种(即甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸)是生物的蛋白质所含有的。以后，米勒认为，设想原始地球还原性大气的成分是ch4、n2、微量的nh3和h2o的混合气体更为合理，因为nh3不可能在大气中大量存在，它会溶于海水中。他和他的合作者于1972年在上述混合气体中进行火花放电(来源说明好范 文网：www.bsmz.netson）测定电子的荷质比，提出了原子模型，他认为原子中的正电荷分布在整个原子空间，即在一个半径r≈10-10m区间，电子则嵌在布满正电荷的球内。电子处在平衡位置上作简谐振动，从而发出特定频率的电磁波。简单的估算可以给出辐射频率约在紫外和可见光区，因此能定性地解释原子的辐射特性。但是很快卢瑟福（e.rutherford）等人的实验否定这一模型。1909年卢瑟福和他的助手盖革（h.geiger）及学生马斯登（e.marsden）在做α粒子和薄箔散射实验时观察到绝大部分α粒子几乎是直接穿过铂箔，但偶然有大约1/800α粒子发生散射角大于90。这一实验结果当时在英国被公认的汤姆逊原子模型根本无法解释。在汤姆逊模型中正电荷分布于整个原子，根据对库仑力的分析，α粒子离球心越近，所受库仑力越小，而在原子外，原子是中性的，α粒子和原子间几乎没有相互作用力。在球面上库仑力最大，也不可能发生大角度散射。卢瑟福等人经过两年的分析，于1911年提出原子的核式模型，原子中的正电荷集中在原子中心很小的区域内，而且原子的全部质量也集中在这个区域内。原子核的半径近似为10－15m，约为原子半径的千万分之一。卢瑟福散射实验确立了原子的核式结构，为现代物理的发展奠定了基石。
本实验通过卢瑟福核式模型，说明α粒子散射实验，验证卢瑟福散射理论；并学习应用散射实验研究物质结构的方法。
实验原理
现从卢瑟福核式模型出发，先求α粒子散射中的偏转角公式，再求α粒子散射公式。
1．α粒子散射理论
（1）库仑散射偏转角公式
设原子核的质量为m，具有正电荷+ze，并处于点o，而质量为m，能量为e，电荷为2e的α粒子以速度?入射，在原子核的质量比α粒子的质量大得多的情况下，可以认为前者不会被推动，α粒子则受库仑力的作用而改变了运动的方向，偏转?角，如图3.3-1所示。图中?是α粒子原来的速度，b是原子核离α粒子原运动径的延长线的垂直距离，即入射粒子与原子核无作用时的最小直线距离，称为瞄准距离。
图3.3-1α粒子在原子核的库仑场中路径的偏转
当α粒子进入原子核库仑场时，一部分动能将改变为库仑势能。设α粒子最初的的动能和角动量分别为e和l，由能量和动量守恒定律可知：
2ze2m??2
2?2?（1） e????r?r????4??0r2??1
mr??m?b?l（2） 2??
由（1）式和（2）式可以证明α粒子的路线是双曲线，偏转角θ与瞄准距离b有如下关系： ctg?
2?4??02eb（3） 22ze
?2b2ze2
设a?，则ctg?（4） 2a4??0e
这就是库仑散射偏转角公式。
（2）卢瑟福散射公式
在上述库仑散射偏转公式中有一个实验中无法测量的参数b，因此必须设法寻找一个可测量的量代替参数b的测量。
事实上，某个α粒子与原子散射的瞄准距离可大，可小，但是大量α粒子散射都具有一定的统计规律。由散射公式（4）可见，?与b有对应关系，b大，?就小，如图3.3-2所示。那些瞄准距离在b到b?db之间的α粒子，经散射后必定向θ到??d?之间的角度散出。因此，凡通过图中所示以b为内半径，以b?db为外半径的那个环形ds的α粒子，必定散射到角?到??d?之间的一个空间圆锥体内。
图3.3-2α粒子的散射角与瞄准距离和关系
设靶是一个很薄的箔，厚度为t，面积为s，则图3.3-1中的ds?2?db，一个α粒子被一个靶原子散射到?方向、??d?范围内的几率,也就是α粒子打在环ds上的概率,即
ds2?bdb?ss
2?a2cos
?
8ssin3?d?(5) 2
若用立体角d?表示,
由于
d??2?sin
?4?sin?2d??cosd?22? ds则有?sa2d?16ssin4d?(6)
为求得实际的散射的α粒子数，以便与实验进行比较，还必须考虑靶上的原子数和入射的α粒子数。
由于薄箔有许多原子核,每一个原子核对应一个这样的环,若各个原子核互不遮挡,设单位体积内原子数为n0,则体积st内原子数为n0st，α粒子打在这些环上的散射角均为?，因此一个α粒子打在薄箔上，散射到?方向且在d?内的概率为dsn0t?s。 s
若单位时间有n个α粒子垂直入射到薄箔上，则单位时间内?方向且在d?立体角内测得的α粒子为：
?1??2ze2?d?ds??（7） dn?nn0t?s??nn0t??????s?4e?sin4?4??0?2
经常使用的是微分散射截面公式，微分散射截面
d?(?)dn1?? d?nn0td?22
其物理意义为，单位面积内垂直入射一个粒子（n=1）时，被这个面积内一个靶原子（n0t?1）散射到?角附近单位立体角内的概率。
因此，
?1d?(?)dn???d?nn0td???4??0????2?2ze2?1??（8） ?4e???sin4
22
这就是著名的卢瑟福散射公式。
代入各常数值，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） 的单位为mb/sr，e的单位为mev。
2．卢瑟福理论的实验验证方法
为验证卢瑟福散射公式成立，即验证原子核式结构成立，实验中所用的核心仪器为探测器。 设探测器的灵敏度面对靶所张的立体角为??，由卢瑟福散射公式可知在某段时间间隔内所观察到的α粒子总数n应是： ?1n???4??0?????2?ze2??m?2
0???nt??t（10） ?sin4?/2?2
式中n为该时间t内射到靶上的α粒子总数。由于式中n、??、?等都是可测的，所以（10）式可和实验数据进行比较。由该式可见，在?方面上??内所观察到的α粒子数n与散射靶的核电荷
12z、α粒子动能m?0及散射角?等因素都有关。 2
对卢瑟福散射公式（9）或（10），可以从以下几个方面加以验证。
（1） 固定散射角，改变金靶的厚度，验证散射计数率与靶厚度的线性关系n?t。
（2） 更换α粒子源以改变α粒子能量，验证散射计数率与α粒子能量的平方反比关系
n?e2。
（3） 改变散射角，验证散射计数率与散射角的关系n?1
sin4。这是卢瑟福散射击中最突出
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，验证散射计数率与靶材料核电荷数的
平方关系n?z2。由于很难找到厚度相同的散射靶，而且需要对原子数密度n进行修
正，这一实验内容的难度较大。
本实验中，只涉及到第（3）方面的实验内容，这是对卢瑟福散射理论最有力的验证。
3．卢瑟福散射实验装置
卢瑟福散射实验装置包括散射真空室部分、电子学系统部分和步进电机的控制系统部分。实验
装置的机械结构如图3.3-3所示。
图3.3-3卢瑟福散射实验装置的机械结构
（1）散射真空室的结构
散射真空室中主要包括有?放射源、散射样品台、?粒子探测器、步进电机及转动机构等。放射源为241?m或238?u源，241?m源主要的?粒子能量为5.486?ev，238?u源主要的?粒子能量为
5.499?ev。
（2）电子学系统结构
为测量?粒子的微分散射截面，由式（9），需测量在不同角度出射?粒子的计数率。所用的?粒子探测器为金硅面垒si(au) 探测器，?粒子探测系统还包括电荷灵敏前置放大器、主放大器、计数器、探测器偏置电源、nim机箱与低压电源等。
（3）步进电机及其控制系统
在实验过程中，需在真空条件下测量不同散射角的出射?粒子计数率，这样就需要经常地变换散射角度。在本实验装置中利用步进电机来控制散射角?，可使实验过程变得极为方便。不用每测量一个角度的数据便打开真空室转换角度，只需在真空室外控制步进电机转动相应的角度即可；此外，由于步进电机具有定位准确的特性，简单的开环控制即可达到所需精确的控制。
实验内容
1．熟悉整个实验的机械结构和电子学系统的工作原理。
2．设计实验方案在真空条件下测量不同角度无样品时的本底计数和有样品时的散射粒子数。画出
?sin4()与散射角的关系图，验证卢瑟福的散射公式中?sin4()应为常数p。 22??
3．研究性内容：在卢瑟福散射实验中，如用多道分析器进行读数测量，应如何设计实验方案完成实验，其中有哪些关键？
思考题
1．卢瑟福散射实验中的实验数据误差应如何计算？
?2．根据卢瑟福公式?sin4()应为常数，本实验的结果有偏差吗？试分析原因。 2
参考资料
1．徐克尊，陈宏芳，周子舫．近代物理学．北京：高等教育出版社，1993
2．褚圣麟，原子物理学，北京：人民教育出版社，1979
（张道元 霍剑青）
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