近代物理试验

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1、a粒子散射引言电了被发现以示，人们普遍认识到电了是一切元素的原了的基木组成部分。但通常悄况下原子是呈电小性的，这表明原子小还有与电子的电荷等量的正电荷，所以，研究原子的结构首先要解决原子中正负电荷怎样分布的问题。从1901年起，各国科学家提出各种不同的原子模型。第一个比较有彫响的原子模型，是J.J.汤姆逊于1904年提出“电子浸浮于均匀正电球”屮的模型。他设想，原了屮正电荷与电了间的作用力以及电了与电了间的斥力的作用下浮游在球内。这种模型被俗称为“葡萄干布丁模型”。汤姆逊还认为，不超过某一数II的电了将对称地组成一个稳定的环或球壳；当

2、电子的数目超过一定值时，多余电子组成新的壳层，随着电了的增多将造成结构上的周期性。因此他设想，元素性质的周期变化或许可川这种电了分布的売层结构作出解释。汤姆逊的原子模型很快地被进一步的实验所否定，它不能解释a射线的大角度散射现象。卢瑟福从1904年到1906年6刀，做了许多a射线通过不同厚度的空气、云母片和金属箔(如铝箔)的实验。英国物理学家W.H.布拉格(Bragg,W.H.1862-1942)在1904J905年也做了这样的实验。他们发现，在此实验中a射线速度减慢，而且径迹偏斜了(即发牛散射现象).例如，通过云母的的某些a射线，从

3、它们原來的途径约片斜2°，发牛了小角度散射,1906年冬卢瑟福还认识到a粒了在某一临界速度以上时能打入原了内部，由它的散射和所引起的原了内电场的反应可以探索原子内部结构.而他还预见到可能会出现较大介度的散射.1910年12月，卢瑟福对大角度散射过程的受力关系进行计算，得出一个新的原子结构设想。经过反思索、研究，于1911年4月下旬写出论文为靶的金属箔的原子一次碰撞中改变其方向的，因此原子中有一个体积很小、质量很大的带正电荷的原子核，它对带正电荷的a粒了的很强的排斥力使粒了发生人角度偏转；原了核的体积很小，其肓径约为原了宜径的万分Z—至

4、十万分Z—，核外是很人的空的空间，带负电的、质量比核轻得多的电子在这个空间里绕核运动，卢瑟福在论文中提出他的原子有核模型可从几个方面验证，盖革和马斯顿1912年所做的实验证实了原了核的存在。1913年莫斯莱定律的发现以及1919年阿斯顿(Ast-on,F.w.1877-1945)MJ质谱仪测定各种元索的同位索进一步证实了卢瑟福的原子模型。但是，卢瑟福原子模型山于同经典电磁理论存在着尖锐才盾而遇到I木I难，所以发表后没冇很快引起国内外的重视。1913年玻尔把虽了论用于原子，与卢瑟福卢冇核原了模型结合起来，便它发展成为瑟福卢——玻尔原子模

5、型，迅速受到各国科学界的高度重视，大大提高了瑟福卢和玻尔的声誉。从1898年发现镭到1911年发现原子核和原子有核结构，出现了根本变革以往的的原子论的划时代科学硕果。原子有核结构的发现意味着原子物理学和核物理学的出现，也是现代结构化学即将诞牛的询奏。一、实验目的1、初步了解近代物理中有关粒子探测技术和和关电子学系统的结构，熟悉半导体探测器的使用方法。2、实验验证瑟福散射的微分散射截而公式。3、测：©Q粒了在空气中的射程。二、实验原理1、瞄准距离与散射角的关系卢瑟福把a粒了和原了都当做点电荷，并fl•假设两者Z间的静电斥力是唯一的相互作

6、用力。设一个a粒子以速度％沿AT方向入射，由于受到核电荷的库仑作用，a粒子将沿轨道ABC;1

7、射。通常，散射原子的质量比a粒子质量人得多，可近似认为核静止不动。按库仑定律，相距为r的Q粒了和原了之间核之间库仑斥力的人小为：(1)式中Z为靶核电数。。粒子的轨迹为双Illi线的一支，如图1所示。原子核与Q粒子入射方向之间的垂肓距离b称为瞄准距离（或碰撞参数），&是入射方向与散射方向之间的夹角。图1散射角与瞄准距离的关系山牛顿第二定律，可导出散射角与船准距离之间的关系为:2b~D(2)12Z，4亦omVo2/2式'I1，m为a粒了质量2、卢

8、瑟福微分散射截面公式由散射角与瞄准距离的关系式（2）可见,瞄准距离b大,散射角&就小；反之,b小,0就犬。只要瞄准距离方足够小，&就可以足够大，这就解释了大角度散射的可能性。但是从实验上来验证式（2）,显然是不可能的，因为我们无法测最瞄准距离方。然而我们可以求出Q粒子按瞄准距离b的分布，根据这种分布和式（1）,就可以推出散射Q粒子的角分布，而这个角分布是可以直接测量的。如图2,设有截而为S的G粒了束射到厚度为f的靶上。其屮某一Q粒了在通过靶时相对于靶小某一原子核。的瞄准距离在方〜b+dbZ间的机率，应等于圆心在d而圆周半径为b、b+d

9、b的圆环面积与入射截面SZ比。若靶的原子数密度为〃，则a粒子束所经过的这块体积内共冇〃Sb个原子核，因此，该a粒子和対于靶中任一原子核的瞄准距离在b和b+db之间的几率为皿響吩2如⑼(3)图2入射Q粒子散射到d&角度范围