卢瑟福的小故事

第一篇：卢瑟福的小故事

卢瑟福的故事

上戏附中 李树祥

同学们学习《物质的微观结构》这一章时，在“历史回眸”中知道了卢瑟福是一位伟大的物理学家，是核物理学的创始人，是诺贝尔奖金获得者。那么，他是如何取得这么巨大的成就的呢？希望下面的几个方面能对你有所启发：

一、勤于动手

卢瑟福喜欢动手，他家里有一个用了多年的钟，经常停下来，很耽误事，大家都认为无法修理了，但是卢瑟福却不肯轻易把它丢掉，他把旧钟拆开，把每一个零件重新调整到位，清理钟内多年的油泥，重新装好。结果，不仅修好了，而且还走得很准。当时照相机还是比较贵重的商品，卢瑟福竟然自己动手制作起来。他买来几个透镜，七拼八凑居然制成了一台照相机。他自己拍摄自己冲洗，成了一个小摄影迷。卢瑟福这种自己动手制作、修理的本领，对他后来的科学研究工作极为有用。例如1915年，他的学生马斯登发现用α粒子轰击空气时出现一些粒子，它们具有不寻常的长射程。卢瑟福决心搞清楚这些粒子，于是他设计了实验装置，这一装置的成本虽极为低廉，但用显微镜观察屏上闪烁的工作极为艰苦！最终实验得以成功，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由这一实验的成功得以实现。

二、重视思考：

读书和思考一直伴随着卢瑟福一生，他经常对学生说：“不要死记硬背，也不要满足于实验，而要学会思考。只有勤于和善于思考的人，才能获得知识，取得成就。”据说，有一天深夜，卢瑟福走进自己的实验室，看见一个研究生仍勤奋地在实验台前工作，卢瑟福关心地问道：“这么晚了，你在做什么？” 研究生答：“我在工作。” “那你白天做什么了？” “我也在工作。” “那么，你整天都在工作吗？” “是的，导师。”研究生带着谦恭的表情承认了，似乎还期待着卢瑟福的赞许。卢瑟福稍稍想了一下，然后说：“你很勤奋，整天都在工作，这自然是很难得的，可我想问一下，你在什么时候思考呢？” 卢瑟福对勤奋的质疑，使研究生明白了用足够的时间来思考的重要性。

三、悉心育人,教学相长

卢瑟福重视培养学生的思维能力，善于避开次要课题，确认主攻的关键问题；他谦虚、纯朴、脚踏实地的工作作风，也对学生产生着潜移默化的影响。他还鼓励学生们大胆质疑,如青年物理学家玻尔在卢瑟福的指导下，通过学习和研究，他发现老师的“小太阳系”的原子模型还有缺陷，他认真地把自己的意见进行了整理，向老师提了出来。卢瑟福听完玻尔的意见，高兴地说：“你对原子结构模型作了重大发展，立了一功。”接着，他热情地指导玻尔进行深入的研究，并嘱咐玻尔赶快把研究成果写成论文交给他。1913 年，玻尔回到祖国丹麦，三月，他把论文寄给卢瑟福，经过多次修改，经卢瑟福推荐，玻尔的论文在《哲学杂志》上发表了。玻尔的这一研究成果，震动了学术界。人们把这种原子模型称为“卢瑟福——玻尔模型”。玻尔因此于1922 年获得诺贝尔物理学奖。就是因为卢瑟福对学生的这种悉心培育，才使他的助手和学生中先后有14人获诺贝尔奖，其中物理奖10人(玻尔、康普顿、威尔逊、里查逊、查德威克、阿普顿、布莱克特、鲍威尔、科克罗特和瓦尔顿)；化学奖4人(索迪、阿斯顿、亥维赛、哈恩)。他的俄罗斯学生、1978年诺贝尔物理奖获得者卡皮查才在卢瑟福逝世后所写的一篇悼念文章中写道：“卢瑟福先生不仅是一位伟大的科学家，而且也是一位伟大的导师，在他的实验室中培养出如此众多的杰出物理学家，恐怕没有一位同时代的科学家能与他相比。科学史告诉我们，一位杰出科学家不一定是一位伟人，而一位伟大的导师则必须是伟人”。

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



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



2Ze4E

1 4sin

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：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：卢瑟福生平事迹简介

欧内斯特·卢瑟福生平事迹简介

一、生平简介

欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford, 1871—1937)英国物理学家。

1871年8月30日生于新西兰纳尔逊的一个手工业工人家庭。并在新西兰

长大。他进入新西兰的坎特伯雷学院学习。23岁时获得了三个学位（文学学士、文学硕士、理学学士）1895年在新西兰大学毕业后，获得英国剑桥大学的奖学金进入卡文迪许实验室，成为汤姆森的研究生。1898年，在汤姆森的推荐下，担任加拿大麦吉尔大学的物理教授。他在那儿呆了9

年。于1907年返回英国出任曼彻斯特大学的物理系主任。1919年接替退休的汤姆森，担任卡文迪许实验室主任。1925年当选为英国皇家学会主

席。1931年受封为纳尔逊男爵，1937年10月19日因病在剑桥逝世，与

66岁。

在放射性和原子结构等方面，都做出了重大的贡献。

1、他关于放射性的研究确立了放射性是发自原子内部的变化。放射性能使一种原子改变成另一种原子，而这是一般物理和化学变化所达不到的；这一发现打破了元素不会变化的传统观念，使人们对物质结构的研究进入到原子内部这一新的层次，为开辟一个新的科学领域——原子物理学，做了开创性的工作。

2、他通过α粒子为物质所散射的研究，无可辩驳的论证了原子的核模型，因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道，于是他被誉为原子物理学之父。由于电子轨道也就是原子结构的稳定性和经典电动力学的矛盾，才导致玻尔提出背离经典物理学的革命性的量子假设，成为量子力学的先驱。

3、人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献。自从元素的放射性衰变被确证以后，人们一直试图用各种手段，如用电弧放电，来实现元素的人工衰变，而只有卢瑟福找到了实现这种衰变的正确途径。这种用粒子或γ射线轰击原子核来引起核反应的方法，很快就成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段。在卢瑟福的晚年，他已能在实验室中用人工加速的粒子来引起核反应。

三、趣闻轶事

1、有个外号叫“鳄鱼”

卢瑟福从小家境贫寒，通过自己的刻苦努力，这个穷孩子完成了他的学业。这段艰苦求学的经历培养了卢瑟福一种认准了目标就百折不回勇往直前的精神。后来学生为他起了一个外号——鳄鱼，并把鳄鱼徽章装饰在他的实验室门口。因为鳄鱼从不回头，他张开吞食一切的大口，不断前进。

2、摇身一变成为“化学家”

1908年，卢瑟福获得该的诺贝尔化学奖，他对自己不是获得物理学奖感到有些意外，他风趣地说：“我竟摇身一变，成为一位化学家了。”“这是我一生中绝妙的一次玩笑！”

3、杰出的学科带头人

卢瑟福还是一位杰出的学科带头人，被誉为“从来没有树立过一个敌人，也从来没有失去一位朋友”的人。在他的助手和学生中，先后荣获诺贝尔奖的竟多达12人。1912诺贝尔物理学奖的获得者玻尔曾深情地称卢瑟福是“我的α粒子散射实验

α粒子散射实验，又称金箔实验、Geiger-Marsden实

验或卢瑟福α粒子散射实验。是1909年 汉斯·盖革和恩斯

特·马斯登在欧内斯特·卢瑟福指导下于英国曼彻斯特大学

做的一个著名物理实验。

实验用准直的α射线轰击厚度为微米的金箔，发现绝

大多数的α粒子都照直穿过薄金箔，偏转很小，但有少数α

粒子发生角度比汤姆孙模型所预言的大得多的偏转，大约有1／8000 的α粒子偏转角大于90°，甚至观察到偏转角等于150°的散射，称大角散射，更无法用汤姆孙模型说明。1911年卢瑟福提出原子的有核模型，与正电荷联系的质量集中在中心形成原子核，电子绕着核在核外运动，由此导出α粒子散射公式，说明了α粒子的大角散射。卢瑟福的散射公式后来被盖革和马斯登改进了的实验系统地验证。根据大角散射的数据可得出原子核的半径上限为10-14米，此实验开创了原子结构研究的先河。这个实验推翻了J.J.汤姆孙在1903年提出的原子的葡萄干圆面包模型，认为原子的正电荷和质量联系在一起均匀连续分布于原子范围，电子镶嵌在其中，可以在其平衡位置作微小振动，为建立现代原子核理论打下了基础。

卢瑟福从1909年起做了著名的α粒子散射实验，实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据。在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型。

为了要考察原子内部的结构，必须寻找一种能射到原子内部的试探粒子，这种粒子就是从天然放射性物质中放射出的α粒子。卢瑟福和他的助手用α粒子轰击金箔来进行实验。

在一个铅盒里放有少量的放射性元素钋(Po)，它发出的α射线从铅盒的小孔射出，形成一束很细的射线射到金箔上。当α粒子穿过金箔后，射到荧光屏上产生一个个的闪光点，这些闪光点可用显微镜来观察。为了避免α粒子和空气中的原子碰撞而影响实验结果，整个装置放在一个抽成真空的容器内，带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动。

实验结果表明，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹回来，这就是α粒子的散射现象。

发生极少数α粒子的大角度偏转现象是出乎意料的。根据汤姆孙模型的计算，α粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的，因为电子的质量不到α粒子的1/7400，α粒子碰到它，就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样，运动方向不会发生明显的改变。正电荷又是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到原子内部两侧正电荷的斥力大部分相互抵消，α粒子偏转的力就不会很大。然而事实却出现了极少数α粒子大角度偏转的现象。卢瑟福后来回忆说：“这是我一生中从未有的最难以置信的事，它好比你对一张纸发射出一发炮弹，结果被反弹回来而打到自己身上……”卢瑟福对实验的结果进行了分析，认为只有原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的区域，才有可能出现α粒子的大角度散射。由此，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构模型，认为在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核(nucleus)，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。

按照这一模型，α粒子穿过原子时，电子对α粒子运动的影响很小，影响α粒子运动的主要是带正电的原子核。而绝大多数的α粒子穿过原子时离核较远，受到的库仑斥力很小，运动方向几乎没有改变，只有极少数α粒子可能与核十分接近，受到较大的库仑斥力，才会发生大角度的偏转。

-15-14根据α粒子散射实验，可以估算出原子核的直径约为10米～10米，原子直径大约是

10-10米，所以原子核的直径大约是原子直径的万分之一，原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一。

结果：大多数散射角很小，约1/8000散射大于90°； 极个别的散射角等于180°。

结论：正电荷集中在原子中心。

欧内斯特·卢瑟福

第四篇：卢瑟福与现代物理实验

卢瑟福与现代物理实验

20世纪初，一位伟大的物理学家从微观的原子着眼，探索物质组成及其内在机制的奥秘，从而发现原子有核结构和人工打破原子核，实现元素的人工转变，从科学实验上论证并阐述了新的物质观和科学观，他就是被誉为“微观宇宙之王”的卢瑟福。本文就卢瑟福对现代物理实验的贡献作一简要介绍。卢瑟福的生平

欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)1871年8月31日出生于新西兰的一个偏辟乡村，其父是一个诚实而正直的农民和手工业工匠，其母是一位乡村教师。自幼受到母亲的良好教育和影响，中学阶段是最拔尖的学生，在坎特伯雷学院的四年大学生活中，数学教授库克和化学、物理教授毕克顿对他的学习和后来的发展影响很大，引导他走上了科学研究的道路。1895年卢瑟福有幸获得新西兰唯一的一个“大博览会奖学金”名额赴英国剑桥大学师从J·J·汤姆逊读研究生，先在无线电通讯方面崭露头角，后又沿着气体导电、放射性、原子物理、核物理的顺序做出一系列划时代的重大发现。他一生的工作主要可分为加拿大的麦克吉尔大学时期(1898~1907)、英国曼彻斯特大学时期(1907~1919)和英国剑桥大学卡文迪许实验室时期(1919~1937)。1908年卢瑟福由于研究放射性物质及对原子科学的杰出贡献荣获诺贝尔化学奖，1925年当选为英国皇家学会主席，1930年被英国女皇封为勋爵，1937年10月19日在英国不幸去世。创立“原子嬗变理论”

卢瑟福遵照其导师J·J·汤姆逊的建议，进入放射性元素的研究领域。在实验中他首先发现了铀的两种射线，并将其分别命名为α射线和β射线；不久，他又发现这两种射线都是带电的粒子构成的，α粒子带正电荷，其质量与原子的质量属于同一数量级。他还发现钍在放射性过程中产生的一种气体，并把这种气体命名为“钍射气”。后来经实验证实“钍射气”就是氦气。他和他的助手还证实了镭射气是一种放射性气体，其分子量比氢气的分子量大几十倍。后来经实验证实了这种气体是放射性氡。1903年，卢瑟福发表了题为《放射性变化》的学术论文，提出了“原子嬗变理论”。这个理论明确指出，放射性元素的原子在放射性过程中按一定规律不断分裂，转变为其他元素的原子，放射性过程是元素的嬗变过程，即一种元素转化为他种元素的过程。在这之后，卢瑟福及其学生又作了一系列实验，对“原子嬗变理论”进行验证。1904年，他和他的学生在实验中发现，铀在放射性过程中发生一系列嬗变，最后生成没有放射性的铅。1908年，卢瑟福和他的学生盖革在实验室里观察到了镭放射出的单个的α粒子，这是人类首次观察到单个的原子。卢瑟福还通过实验证实了α粒子就

是失去负电荷的氦原子。这些科学成就当时曾轰动世界，被人们称为“现代炼金术”。3 发现原子核，建立原子模型

“原子嬗变理论”的创立，只是卢瑟福一生科学事业的开端。他的最主要的贡献是发现并证实了原子核的存在，建立了原子的有核模型。

1897年，J·J·汤姆逊发现了电子，其后，汤姆逊提出了“葡萄干布丁模型”，认为电子是原子的基本单位，正电均匀分布在原子内，电子则由于与其他电子相排斥与正电体相吸引而处于原子内的平衡位置。这一模型缺乏实验根据。

为了探索原子的秘密，卢瑟福及其学生做了用高能α粒子束穿透金箔的实验。实验表明，α粒子束在通过金箔时，绝大多数都保持原来的运动方向，没有受到阻挡，“如入无人之境”。这表明原子内部存在着相当大的空旷空间。但是，实验还表明，约有1/8 000的α粒子通过金箔时改变了原来的运动方向，发生明显的偏转，个别的α粒子甚至被反弹回来。很明显，原子中一定存在着体积极小但集中了全部正电荷的“核”，α粒子束通过金箔时，有极少数靠近了这个“核”，受到正电斥力的作用发生了散射；而绝大多数则没有接近这个“核”，顺利地按原来的运动方向通过了金箔。通过反复的实验观测和对实验数据的理论计算，一幅真实的原子图景在卢瑟福的脑海里出现了：在原子的中心，有一个带正电荷核，其半径约为3×10-13cm，它差不多集中了原子的全部质量；原子中的电子则围绕这个核以极高的速度旋转，轨道半径为10-8cm左右。卢瑟福把这个带正电荷的核命名为“原子核”。这就是卢瑟福根据α粒子散射实验于1911年提出的原子有核模型。1913年，卢瑟福的学生玻尔(Bohr，1885~1962)把量子理论引入这个模型，从理论上解释了原子的稳定性和原子线光谱。科学界把这个经玻尔进一步完善了的原子模型称为“卢瑟福———玻尔模型。”

自从发现了原子核以后，人类对物质世界的认识便进入了一个新的层次———原子核层次。首次实现人工核反应

继发现原子核之后，卢瑟福于1919年在科学史上第一次实现了元素的人工嬗变，即用人工方法实现了核反应。他在实验室里用α粒子作“炮弹”轰击氮，结果从氮原子核中击出了氢原子，生成了氧的同位素

此后，卢瑟福和他的学生用α粒子轰击了元素周期表上从硼到钾的所有元素，成功地使。卢瑟福用下列核反应表述了这个核反应过程。

这些元素发生相应的核反应(碳和氧除外)，释放出一个氢原子核，同时转化为元素周期表上的下一位元素。

这是人类利用原子能的先导，它宣告了新的时代——原子能时代即将来临。卢瑟福是这个新的原子能时代的第一位奠基人。这一伟大科学成就的意义还在于，它为物理学开辟了一个全新的研究领域——原子核物理学领域。科学界公认卢瑟福是“原子核物理学之父”。5 命名质子，预言中子

作为原子核物理领域的开创者和带头人，卢瑟福和他的助手及学生一起继续进行艰辛的探索，并取得了新的成就。他成功地证明了氢的原子核是其他所有元素的原子核的组成部分。建议把氢的原子核命名为“质子”。这一建议被科学界采纳，并一直沿用到今天。

1920年，卢瑟福预言组成原子核的另一个重要成员中子的存在，并相当详细地描述了中子的特性。“中子”这个概念也是卢瑟福确定的。在卢瑟福的指导下，他的学生查德威克于1932年用α粒子轰击了金属铍，释放出一种质量与质子相同但不带电荷的粒子，这就是中子。这一发现使卢瑟福12年前的预言在大部分细节上得到证实。查德威克因这一发现获得了诺贝尔物理学奖。至此，人们终于弄清楚了，原子核是由质子和中子组成的。质子和中子的发现对于建立原子核结构理论具有关键性的意义。

卢瑟福数十年如一日勤奋好学，刻苦钻研，把自己的一生献给了人类的科学事业。他一生中的大部分工作时间是在实验室里度过的。他心地坦诚，热情无私，在他的学生和助手中，有10多人荣获诺贝尔奖，卢瑟福是20世纪培养诺贝尔奖得主最多的科学家。正因为如此，新西兰教育部长鲍伊斯称卢瑟福是“现代科学之父”。

第五篇：卢瑟福散射实验讲义(中国科大)

实验3.3卢瑟福散射实验

卢瑟福散射实验是近代物理科学发展史中最重要的实验之一。在1897年汤姆逊（J.J.Thomson）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

222（1）Err40r2

1mr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sin

422

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

1sin4。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）