原子物理实验

1、简答之实验篇1卢瑟福a粒子散射实验实验现象：大多数a粒子散射角很小，少数a粒子散射角大于90，极少数与a粒子散射角等于180。实验解释：由于原子核很小，绝大部分a粒子并不能瞄准原子核入射，而只是从原 子核周围穿过，此时原子核和a粒子间的作用力不大，因此偏转也很小；也有少数a粒 子可能从原子核附近穿过，这时半径较小，所受作用力较大，就会有较大的偏转；而极 少数正对原子核入射的a粒子因为半径很小，作用力很大，就有可能反弹回来。所以卢 瑟福核式结构能定性的解释a粒子散射实验。a粒子散射理论的建立1库伦散射前提（假设）：忽略电子的作用；粒子和原子核看成点电荷；原子核不动；大角散射是一次散射的结果。库伦

2、散射公式：库仑散射公式反应出b和9的对应关系。b小，9大；b大，9小。卢瑟福散射公式以b为外半径，b-db为内半径的环面积内的a粒子，散射到角度在9d9间的 一个空心圆锥体中。环形面积：力=2兀切羽=兀（）2（）2: d94ksMv 2 sm3 902空心锥体立体角：dG = 2兀sin 9d9 = 4兀sin & cos 9 d9221Ze 2dGda与dG的对应关系：dG=（亠）2（f ）2 竺4ksMv 2 sin4 902此公式物理意义：每个散射到99+d9之间的空心立体角dG内的a粒子，必 定打在bb-db之间的da这个环形带上。da 是膜中每个原子的有效散射截面，又称微分截面。设有

3、一薄膜，面积为A,厚度为t,单位体积内的原子数为N，则薄膜中的总原 子数是： N= NAt 。近似：设薄膜很薄，薄膜内的原子核对射来的粒子前后不 互相覆盖。则N个原子把a粒子散射到dG中的总有效散射截面为：返=NdQ = NAtdadn dE ， dn nA dnd工=Ntda n da =n AnNtda 物理意义：代表散射到 9 与 9+d9 之间的几率的大小，故微分截面也成几率。 将代入得卢瑟福散射变形公式：dn1Ze2sin4 9 = （）2（）2 nNt =常数 dG2 4耐Mv 20d n实验验证：使d n实验验证：使d dnd 即可由公式预言下列四种关系：z1z1在同一 a粒子源

4、和同一散射物的情况下ISin常数2.用同一 a粒子源和同一种材料的散射物，在同一散射角，（dJz d n z d n v 3用同一个散射物，在同一个散射角，（d 丿4用同一个a粒子源，在同一个散射角，对同一 Nt值,dnd常数2弗兰克-赫兹实验一、实验目的：证明原子内部能级的存在，即能量是量子化的。二、实验原理：电子与原子发生非弹性碰撞，电子失去一部分或全部动能，转化为原子内部能量，使原子激发或电离。三、实验现象分析当KG间电压低于4.9V时，不会影响汞原子内部能量；当KG间电压达到4.9V时， 碰撞后能量全部给了原子，不能克服反电势达到A，故A极电流下降；当KG间电压超 过4.9V较多时，除

5、原子碰撞传递能量外，还有足够能量达到A极，故A极电流上升； 当KG间电压为4.9V整数倍时，可能发生多次碰撞而失去能量，故A极电流下降。四、实验结果：电流突然下降时的电压相差都是4.9V，即，KG间的电压为4.9V的整数倍时，电流突然下降。五、结果分析和结论：Hg原子只吸收4.9eV的能量，4. 9eV为汞原子的第一激发电位。清楚的证实了原子中量子态的存在，原子的能量不是连续变化的，而 是由一些分立的能级组成。史特恩-盖拉兹实验一、实验目的：证明磁矩是量子化的，也就是证明了原子在磁场中的取向是量子化的。二、实验原理（为什么原子会偏转）：一个非均匀磁场对具有磁矩卩的磁体产生一个力,dBdqdBd

6、qcos其大小为：其中卩zdBdqdBdqcos其大小为：其中卩z为B方向分量,dBdqur为沿q方向的梯度，B为磁矩与B的夹角。原子受不均匀磁场的若dq 0（即磁场强度B沿Z方向增加），则BV90。，力f与B同向; 否则B90, f与B反向。原子受不均匀磁场的作 用 达 到 相 片 时 的 横 向 移 动 S 为 ：atdB上式中除了2mdzdB2m以外都是常量，所以有几个上式中除了2mdzdB2m以外都是常量，所以有几个卩COS值，银原子在磁场中就有几个取向。又因为基态银原子束以相同的速度方向通过与速度方向垂直的不均匀磁场，不同L1的原子受力不同。由底片上银原子的分布情况可以判断 z 的分布情况，从而判断银原子在磁场中的取向。三、实验现象：银原子束经过与运动方向垂直的非均匀磁场以后会偏转分成两束，即在 P 上看到两条黑斑。四、现象解释2(岑)(L)2 卩 Z2 mdZ v jZr(H )=r(H )=(jZe2mrgJ)zg - m h 二2mj-m g卩jBz=2( -dZ)(-)2 mg 卩 B由可得2 mdZ v j B由可得根据可知S的取值只与mj有关。由于理论上mj=j,j-1,，-j共2j+1个值，故相应 的就有2j+1个分立的z值。即在相片上有2j+1个黑条，这代表了角动量的2j+1个