α粒子散射实验面面观

1、a粒子散射实验面面观1、什么叫散射实验？用各种粒子 X 射线、电子和 a 粒子轰击很薄的物质层， 通过观察这些粒子穿过物质层后的偏转情况，获得原子结构 的信息，这种实验叫做散射实验。2、为什么用 a 粒子散射实验研究原子结构 原子结构无法直接观察到，要用高速离子进行轰击，根据粒 子的散射情况分析判断原子的结构，而 a 粒子有足够能量， 可以穿过原子，并且利用荧光作用可观察 a 粒子的散射情 况，所以选取a粒子进行散射实验。a 粒子是从放射性物 质（如铀和镭）中发射出来的粒子，带两个单位正电荷，质 量为氢原子的 4 倍实际是氦原子核，射出时的速度的为光速 的 1/10 ，a 粒子的电离作用很强，

2、因此在空气中只能前进 几厘米。另外，由于 a 粒子射出速度大，具有足够的能量， a 粒子还能使荧光物质发光。在 19 世纪末，物理学上爆出了震惊科学界的“三大发现”： 1895年，德国物理学家伦琴（18451923）发现了 X射线， 法国物理学家贝克勒尔（18521908）发现了天然放射性； 1897年，英国物理学家汤姆逊 （18561940）发现了电子。 这 些伟大的发现激励了卢瑟福，使他决心对原子结构进行深入 研究。 1898 年，卢瑟福发现镭发出的射线受到磁场作用时至 少分成两个组成部分。他把偏转幅度小的带正电的部分叫做a射线，把偏转幅度大的带负电的部分叫做 B射线。1900年，法国化学

3、家维拉德 （Villard） 又发现铀的射线中还有在 磁场中不偏转，且穿透力很强y射线。1903年，卢瑟福发现a射线的能量比B和y射线的大99倍左右，1906年他 又发现 a 射线通过云母片时， 出现了偏转 2的小角度散射 现象。 1908 年 6 月，卢瑟福的助手盖革 （HGeiger） 发现 a 射线的散射角与靶材料的原子量成正比。同年10 月，布拉格写信给卢瑟福，告诉他用 a 粒子轰击原子时发生了 a 粒 子急转弯的现象。这些现象促使卢瑟福和盖革决定用重金属 靶进行散射实验。 1909 年 3 月， 卢瑟福向正在实验的马斯登 提出“看一看你是否能够得到从金属表面直接反射a 粒子的效应 ?

4、”结果。3、实验方法的设计原理和设计思想 在真空环境中，使放射性元素钋放射出的 a 粒子轰击金箔， 然后通过显微镜观测用荧光屏（硫化锌屏）接收到的a 粒子，借助于对轰击金箔前后的 a 粒子的运动情况的分析和 对比，进而了解金原子的结构情况。与某一金原子发生作用 前后的 a 粒子运动情况的差异，必然带有金原子结构特征 的烙印，而这正是 a 粒子散射实验的设计思想。实验要求 在真空环境中进行，是为了避免气体分子对 a 粒子的运动 产生影响，原因主要是由于 a 粒子的电离作用，若在空气 中由于电离 a 粒子只能前进几厘米。4、为什么a粒子的散射实验用的是金箔？能否用轻金属 为了尽可能确切地研究轰击粒

5、子与靶原子间的单个碰撞，希 望靶越薄越好，否则多次碰撞将掩盖单次碰撞产生的效应。 金的优点主要有五个方面：一是金是重金属；二是金的延展 性强，容易做成厚为1ym的薄片，以使绝大多数 a粒子穿 过金箔后仍沿原来的方向前进；三是金的化学性质稳定，不 易与荧光粉发生化学反应；四是金的原子序数大，带的正电 荷就多，对a粒子的库仑斥力大，a 粒子与其碰撞后的散 射角也就很大；五是 a 粒子的散射角与靶材料的原子量成 正比，金的原子量大，当 a粒子与其碰撞时，a 粒子的运 动状态改变明显。5、卢瑟福在 a 粒子散射实验中是怎样获得 a 粒子散射的 精确数据的？在 a 粒子散射实验中，卢瑟福是采用“闪烁法”

6、来观测 a 粒子的散射情况的。但在实际观测中，要想把打到硫化锌屏 上的 a 粒子所引起的闪烁一个不漏地精确地统计出来，并 不是一件轻而易举的事情。造成困难的因素主要有： （1）单 位时间内 a 粒子打到屏上引起的闪烁次数太多（每分钟可 多达 90至 1 00次）；（2） a 粒子依次打到屏上引起闪烁的时 间间隔的不确定所造成计数节奏的变化影响到计数的准确 性。卢瑟福采用的具体做法包括： （ 1 ）训练和挑选优秀的观 测者。卢瑟福让他的研究生先跟着查德威克从事六周关于粒子实验及观测的训练课，然后从中挑选出眼睛好，能在紧张的工作中集中注意力并保持宁静的优秀的观测者；（2）观测前对观测者作必要的心理、生理的调节。观测工作一般被 安排在固定的时间内进行，每周两次，从下午4 点到 6 点，观测者进入光线微弱的实验室后的第一件事情是品茶聊天， 放松情绪，并让眼睛适应观测环境； （ 3）利用观测者间的差 异来提高对闪烁数的统计精度。让两个人同时观测一个硫化 锌屏，由于两个人的观测效率（统计数与实际闪烁数之比） 各异，分别为nl和n 2,于是计数时由两个人用按电键的 方式传来的信号就有三种，分别统计出从第一个观测者传来 的计数nl，从第二个观测者传来的计数n2和从两个观测者同时传来的计数 n12，它们分别为n仁n 1n, n2=n 2n, n12=n 1 n 2n。由此