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一、实验背景粒子散射实验是原子物理学中的一个重要实验，由英国物理学家卢瑟福及其助手在1909年完成。
该实验旨在探究原子内部结构，特别是原子核的存在和性质。
通过观察α粒子与金属箔的相互作用，实验揭示了原子核的存在，推翻了汤姆孙的“布丁模型”，并奠定了现代原子核理论的基础。
二、实验目的1. 观察α粒子散射现象，验证原子核的存在。
2. 理解原子核的大小、质量和电荷分布。
3. 掌握粒子散射实验的基本原理和操作方法。
三、实验原理α粒子是带正电的粒子，其质量远大于电子。
在实验中，α粒子被加速后射向金属箔，与箔中的原子核发生相互作用。
根据经典电磁理论，α粒子与原子核的相互作用可以看作是带电粒子之间的库仑力作用。
当α粒子与原子核发生碰撞时，其运动方向会发生改变，即发生散射。
根据散射角度和散射概率，可以推算出原子核的大小、质量和电荷分布。
实验中常用的散射公式为：\[ \theta = \frac{2Z^2e^4}{4\pi^2\epsilon_0^2m_αv^2a^2} \]其中，θ为散射角度，Z为原子核的电荷数，e为电子电荷，ε0为真空介电常数，mα为α粒子的质量，v为α粒子的速度，a为原子核的半径。
四、实验器材1. α粒子源：用于产生α粒子。
2. 金属箔：用于观察α粒子的散射现象。
3. 粒子探测器：用于记录α粒子的散射角度和数量。
4. 计算机软件：用于数据处理和分析。
五、实验步骤1. 将α粒子源放置在实验装置中，调整实验参数。
2. 将金属箔放置在α粒子源前方，调整金属箔的位置和角度。
3. 启动实验，观察α粒子的散射现象，记录散射角度和数量。
4. 重复实验，改变金属箔的位置和角度，观察散射现象的变化。
5. 使用计算机软件对实验数据进行处理和分析。
六、实验结果与分析1. α粒子散射现象：实验观察到，绝大多数α粒子穿过金属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，甚至有极少数α粒子被反弹回来。
这表明金属箔中存在一个带正电的核，α粒子与核发生相互作用后发生散射。
实验1.1 α粒子散射电子被发现以后，人们普遍认识到电子是一切元素的原子的基本组成部分。
但通常情况下原子是呈电中性的，这表明原子中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。
第一个比较有影响的原子模型，是J.J.汤姆逊于1904年提出“电子浸浮于均匀正电球”中的模型。
他设想，原子中正电荷与电子间的作用力以及电子与电子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，不超过某一数目的电子将对称地组成一个稳定的环或球壳；当电子的数目超过一定值时，多余电子组成新的壳层，随着电子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用这种电子分布的壳层结构作出解释。
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α射线的大角度散射现象。
卢瑟福从1904年到1906年6月，做了许多α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1904-1905年也做了这样的实验。
他们发现, 在此实验中α射线速度减慢,而且径迹偏斜了(即发生散射现象).例如,通过云母的的某些α射线,从它们原来的途径约片斜2°,发生了小角度散射,1906年冬, 卢瑟福还认识到α粒子在某一临界速度以上时能打入原子内部,由它的散射和所引起的原子内电场的反应可以探索原子内部结构.而且他还预见到可能会出现较大角度的散射.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α粒子的很强的排斥力使粒子发生大角度偏转；原子核的体积很小，其直径约为原子直径的万分之一至十万分之一，核外是很大的空的空间，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子核的存在。
卢瑟福的α粒子散射实验观察和结论卢瑟福的α粒子散射实验观察和结论导言卢瑟福的α粒子散射实验是物理学史上具有里程碑意义的实验之一。
通过此实验，卢瑟福成功地证实了原子结构的基本概念，并揭示了原子核的存在。
本文将探讨卢瑟福的α粒子散射实验的观察结果和结论，并分享我对此实验的观点和理解。
1. 实验背景卢瑟福的α粒子散射实验于1911年进行，当时科学界对原子结构的理解还较为模糊。
卢瑟福希望通过实验来验证当时流行的“杜尔文模型”，即认为原子是由带正电的球体（原子核）和带负电的电子云组成的。
他选择使用α粒子（带有两个负电荷的氦离子）作为入射粒子，通过散射角度的观察来揭示原子的内部结构。
2. 实验过程卢瑟福将一束经过加速的α粒子照射到薄金属箔上，并在周围布置了一个荧光屏。
通过观察荧光屏上出现的散射点和角度，卢瑟福记录下了大量实验数据。
3. 实验观察结果卢瑟福的实验观察结果出人意料，与当时的预期相去甚远：(1) 大多数α粒子出射角度很小，接近与入射方向一致；(2) 一小部分α粒子发生明显的偏转，出射角度远离入射方向；(3) 极少数α粒子甚至发生180度的反向散射，返回入射方向。
4. 实验结论基于上述观察结果，卢瑟福得出了以下结论：(1) 原子具有较大的空隙，大部分α粒子可以直接穿过原子而不发生散射；(2) 原子中存在带正电的原子核，同时带负电的电子云位于其周围；(3) 发生明显偏转的α粒子与正电荷较大的原子核发生了相互作用；(4) 散射角度与入射粒子的能量和散射物质的原子核正电荷有关。
5. 对实验的观点和理解卢瑟福的α粒子散射实验提供了直接证据，证明了历史上首次提出的原子核模型。
此模型认为原子核位于原子的中心，其中带有正电荷，并且占据了大部分原子的质量。
这个实验打破了当时流行的汤姆孙模型，即认为原子是由均匀分布的正负电荷所组成。
对于实验的观察结果，我认为其中最令人震惊的是极少数α粒子的180度反向散射。
这意味着原子核的大小远远小于原子的整体大小，同时具有较大的正电荷。
成绩西安交通大学实验报告第1页（共7页）课程：_______近代物理实验_______实 验 日 期 ： 年 月日专业班号___ ___组别_______ 交报告日期： 年 月 日姓 名__Bigger__学号_ _ 报 告 退 发 ： （订正、重做） 同 组 者___ ________ 教师审批签字：实验名称：α粒子散射一、 实验目的1) 初步了解近代物理中有关粒子探测技术和相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面公式。
3) 测量α粒子在空气中的射程。
二、 实验仪器粒子源，真空室，探测器与计数系统，真空泵三、 实验原理 1． α粒子散射理论 （1）库仑散射偏转角公式可以证明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：设E Ze a 0242πε=，则a b ctg 22=θ，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。
经常使用的是微分散射截面公式，微分散射截面公式0d ()d 1d d n n N t σθ=⋅ΩΩ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（10=t N ）散射到θ角附近单位立体角内的概率。
最终得到222400d ()d 121d d 44sin 2n Ze nN t E σθθπε⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪ΩΩ⎝⎭⎝⎭ 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α粒子的能量，得到公式：24d 211.296d sin 2Z E σθ⎛⎫= ⎪Ω⎛⎫⎝⎭⎪⎝⎭其中，d d σΩ的单位为sr mb /，E 的单位为MeV 。
2． 卢瑟福理论的实验验证方法对卢瑟福散射公式，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t N ∝。
α粒子散射实验实验报告一．实验目的1.初步了解近代物理中有关粒子探测技术和相关电子学系统的结构，熟悉半导体探测器的使用方法；2.实验验证卢瑟福散射的微分散射截面公式二．实验原理1.瞄准距离与散射角的关系视α粒子和电子均为点电荷，假设两者间作用力只有静电斥力，如图1，散射角θ，瞄准距离b ，α粒子质量为m ，入射速度为0v ，则：（1）（2）2.卢瑟福微分散射截面公式设有截面为S 的α粒子束射到厚度为t 的靶上，靶的原子数密度为n ，则α粒子散射到θ方向单位立体角内每个原子的有效散射截面为：2222244001121()() 1.296()4sin (/2)sin (/2)d Ze Z d mv E σπεθθ==Ω （3） 设实验中探测器的灵敏面积对靶所张的立体角为Δ,在某段时间内射2co t2b D θ=00πε到靶上的粒子总数为T ，则观察到的粒子数为：（4）三．实验仪器粒子源 真空室 探测器与计数系统 真空泵 四．实验数据及处理1．原始数据及处理表1 探测到的粒子数count 与散射角的关系Angle/° Angle /rad count1 count2 count3 count4 count5 N=count average count median -10-0.175 668 687 634 683 719 678 683 -9 -0.157 806 790 738 824 776 787 790 -8 -0.140 875 919 924 923 904 909 919 -7 -0.122 1020 1002 960 1032 999 1003 1002 -6 -0.105 1069 1092 1100 1075 1058 1079 1075 -5 -0.087 1149 1188 1201 1115 1149 1160 1149 -4 -0.070 1173 1148 1164 1196 1171 1170 1171 -3 -0.052 1190 1225 1225 1236 1237 1223 1225 -2 -0.035 1222 1256 1288 1283 1225 1255 1256 -1 -0.017 1295 1284 1292 1296 1278 1289 1292 0 0.000 1310 1290 1281 1264 1355 1300 1290 1 0.017 1275 1264 1299 1231 1253 1264 1264 2 0.035 1283 1188 1220 1274 1250 1243 1250 3 0.052 1248 1236 1211 1201 1257 1231 1236 4 0.070 1107 1134 1083 1116 1132 1114 1116 5 0.087 1184 1103 1150 1105 1132 1135 1132 6 0.105 939 919 932 894 934 924 932 7 0.122 811 882 757 853 837 828 837 8 0.140 723 697 729 715 715 716 715 9 0.157 612 622 627 615 610 617 615 10 0.175 514 501 541 517 501 515 514 11 0.192 382 381 412 381 405 392 382 12 0.209 277 279 310 335 294 299 294 13 0.227 250 225 227 228 163 219 227 14 0.244 164 176 160 168 179 169 168 15 0.262 148 108 127 116 135 127 127 16 0.279 85 82 65 72 78 76 78 17 0.297 40 43 33 34 45 39 40 18 0.314 40 43 33 34 45 39 40 19 0.332 31 29 28 29 22 28 29 200.349 20 25 20 14 24 21 2001()()4sin (/2)Ze nt N Tmv πεθ∆Ω=25 0.436 13 10 4 8 10 9 10 30 0.524 1 3 4 2 5 3 3 35 0.611 0 1 2 1 0 1 1 40 0.698 1 1 0 1 3 1 1 45 0.785 0 1 0 0 0 0 0 50 0.873 0 0 0 0 0 0 02．曲线拟合根据表1，做出探测器探测到的粒子数N 的平均值与散射角θ的关系； 再按照修正拟合公式（6）式进行曲线拟合，如图2所示。
一、实验目的本次实验旨在验证卢瑟福提出的原子核式结构模型，通过观察α粒子在轰击金箔时的大角度散射现象，探究原子内部结构的分布情况。
二、实验原理根据卢瑟福的原子核式结构模型，原子由一个带正电的原子核和围绕原子核运动的电子组成。
当α粒子（带正电的氦核）以一定速度轰击金箔时，若α粒子与原子核发生相互作用，则会受到原子核的库仑斥力，导致其运动方向发生改变。
若α粒子与电子发生相互作用，由于电子质量远小于α粒子，其影响相对较小，因此α粒子的散射角度较小。
通过观察α粒子的散射情况，可以推断出原子内部结构的分布。
三、实验器材1. α粒子源2. 金箔3. 乳胶片4. X光片5. 镜子6. 计算器7. 数据记录表格四、实验步骤1. 将金箔固定在实验装置上，调整金箔与α粒子源之间的距离。
2. 打开α粒子源，使α粒子轰击金箔。
3. 将乳胶片放置在金箔下方，记录α粒子轰击后的散射情况。
4. 通过镜子观察X光片上的α粒子散射轨迹，并记录散射角度。
5. 重复实验，改变金箔与α粒子源之间的距离，观察散射情况。
6. 对实验数据进行整理和分析。
五、实验结果与分析1. 实验结果显示，当α粒子轰击金箔时，大部分α粒子穿过金箔，只有少数α粒子发生大角度散射。
2. 随着金箔与α粒子源之间距离的增加，α粒子的散射角度逐渐减小。
3. 当α粒子与原子核发生相互作用时，其运动方向发生改变，导致散射角度增大。
4. 通过分析实验数据，可以得出以下结论：- 原子核的质量远大于电子，因此α粒子与原子核发生相互作用的可能性较大。
- 原子核的半径较小，导致α粒子与原子核发生相互作用的距离较短，散射角度较小。
- α粒子发生大角度散射的主要原因是原子核的库仑斥力。
六、实验结论通过本次实验，我们验证了卢瑟福提出的原子核式结构模型，并得出以下结论：1. 原子由一个带正电的原子核和围绕原子核运动的电子组成。
2. α粒子发生大角度散射的主要原因是原子核的库仑斥力。
3. 原子核的质量远大于电子，且半径较小，导致α粒子与原子核发生相互作用的可能性较大，但散射角度较小。
a粒子散射教学反思α粒子散射实验，又称卢瑟福散射实验和盖革－马斯登实验，是1909年汉斯·盖革和欧内斯特·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散射实验。
实验是用α粒子轰击各种金属箔纸，发现绝大多数α粒子的偏向很小，但少数的偏向角很大甚至大于90度。
由此可以证明，一个原子大部分的体积是空的空间，这由没有被弹回的粒子充分说明。
这个实验推翻了约瑟夫·汤姆孙创建的汤姆孙模型。
根据这模型，原子是由电子悬浮于均匀分布的带正电物质里所组成。
这个实验为建立现代原子核理论打下了坚实基础。
左图：从均匀原子核模型预测的α粒子散射情况，α粒子运动方向只会发生微小偏转。
右图：卢瑟福等人实际观测到的情况，小部分的α粒子运动方向会发生大幅度偏转，因为原子核的正电荷都集中在小范围区域。
α粒子散射实验历史α粒子散射的实验完成于1909年。
在那时代，原子被认为类比于梅子布丁（物理学家约瑟夫·汤姆孙提出的），负电荷（梅子）分散于正电荷的圆球（布丁）。
假若这梅子布丁模型是正确的，由于正电荷完全散开，而不是集中于一个原子核，库仑位势的变化不会很大，通过这位势的阿尔法粒子，其移动方向应该只会有小角度偏差。
在卢瑟福的指导下，盖革和马士登发射阿尔法粒子射束来轰击非常薄、只有几个原子厚度的白金箔纸。
[注 1]然而，他们得到的实验结果非常诡异，大约每8000个α粒子，就有一个粒子的移动方向会有很大角度的偏差（甚至超过 90°）；而其它粒子都直直地通过白金箔纸，偏差几乎在2°到3°以内，甚至几乎没有偏差。
从这结果，卢瑟福断定，大多数的质量和正电荷，都集中于一个很小的区域（这个区域后来被称作“原子核”）；电子则包围在区域的外面。
当一个（正价）α粒子移动到非常接近原子核，它会被很强烈的排斥，以大角度反弹。
原子核的小尺寸解释了为什么只有极少数的α粒子被这样排斥。
卢瑟福散射实验报告实验步骤：1.测量α粒子在空气中的射程，计算α粒子的能量Ea) 将空靶插入卡槽，测量靶到探头的距离l 1 和源到探头的距离l 2 ，并记录室温Tb) 盖上真空室上盖，开启机械泵电源将真空室抽真空。
c) 打开测量软件，从-5°测到5°,以1°为步长测α粒子能谱峰区计数，每个角度测60s，确定物理0°角；d) 靶台转至物理0°角，测ROI 计数120s；e) 关闭电磁阀2，缓慢放气至6.0kPa 左右后停止放气。
f) 在6~30kPa 范围测气压对计数的影响，测4 个点（连同气压为0 的点共至少5 个点），每点测120s。
g) 绘制P-N曲线，得到α粒子的平均射程及能量2.验证关系a) 缓慢放完气后，打开真空室盖子，换上金靶，合上盖子抽真空。
b) 在-5°~5°范围以1°为步长测α粒子能谱峰区计数，每个角度测90s，确定物理0°角；c) 在10°~25°范围选5 个角度测散射计数，每个角度根据计数率调整测量时间。
d）绘制N-θ曲线，并与理论值比较。
数据分析：1.α粒子射程及能量确定物理零度角：角度/°-5-4-3-2-1选区计数7362573675698316199151905改变真空室气压，记录120s内探测器计数，绘制P-N关系图对曲线进行线性拟合，得到N = -2750.3P + 150823 ，相关系数R² = 0.988由解析式可推得，P=0时N0=150823，N=N0/2时P=27.42kPa。
此时源到探测器距离l2即平均射程。
由，得到室温24.3℃，P=27.42kPa时空气密度∴由可解出E=2.323MeV2.验证关系角度/°-3-2-10选区计数6628693767876437改变散射角，测散射计数，绘制N-θ图散射角/°1013161922时间/s2001503006001000选区计数57682173197919541453，对曲线进行线性拟合，斜率即K=0.0016.做图像，与理论计算值比较121416182022th eta d eg ree0.0050.0100.015K K theta relation相对误差思考题2. 有偏差，而且在θ较大时更加明显，主要原因在于卢瑟福散射公式本身所推论的是一个概率，只有当实验时间趋于无穷时才会完全相符，但由于客观原因的限制我们无法利用更长的时间来获得更加准确的数据，因此随机性的因素便会较大的影响实验的结果。
卢瑟福的α粒子散射实验结论1. 实验背景说起卢瑟福，那可真是个了不起的科学家，咱们今天要聊的就是他那经典的α粒子散射实验。
大约在1911年，这位大名鼎鼎的物理学家在研究原子结构时，做了个大胆的实验。
想象一下，那个时候，科学界对原子内部的构造可谓是一头雾水，搞得像是在摸黑走路。
卢瑟福和他的团队决定用α粒子，也就是一种带正电的粒子，来探探原子里到底藏了些什么东西。
真是敢为人先啊！实验的过程其实挺简单的。
他们把α粒子从放射性元素发射出来，然后让这些粒子撞击一层极薄的金箔。
金箔薄得就像是纸一样，几乎可以用手指捅破。
接着，卢瑟福用荧光屏观察这些α粒子是怎么散射的。
这里面可有不少戏剧性的时刻，就像一场精彩的表演。
2. 实验结果2.1 意外的发现好吧，结果真是让人瞠目结舌！大部分的α粒子都是笔直穿过金箔的，仿佛金箔根本就不存在。
但有一小部分的粒子却偏偏改变了方向，有的甚至反弹回来，简直像是看见了鬼。
卢瑟福当时一定觉得，哎呀，怎么回事呢？难道原子内部隐藏着什么秘密？这可真是让人百思不得其解。
2.2 原子模型的重构经过一番深入思考，卢瑟福得出一个惊人的结论：原子并不是一团糟的“梅花”，而是有着明确结构的。
他提出，原子里有一个非常小且密集的“原子核”，而α粒子反弹就是因为碰到了这个“核”。
这个核是正电的，周围则是负电的电子在转啊转，真是一个小宇宙！这不禁让人想起一句话：外表光鲜，内里却是别有洞天。
3. 实验的意义3.1 对科学界的影响卢瑟福的发现简直就是科学界的一场地震，彻底颠覆了之前的“汤姆逊的葡萄干布丁模型”。
他这一理论，不但让大家看到了原子的真实结构，还为后来的科学研究铺平了道路。
原子核的概念后来成了核物理学的基石，简直是功德无量。
3.2 对日常生活的启示你可能会问，这跟我们日常生活有什么关系呢？其实，卢瑟福的实验提醒我们，很多时候，表象并不代表真相。
就像我们看到的一个人，可能外表光鲜亮丽，内心却藏着故事。
所以，别轻易下结论，要多观察，多思考！另外，卢瑟福的好奇心也是我们每个人都应该学习的。
实验1.1 α粒子散射电子被发现以后，人们普遍认识到电子是一切元素的原子的基本组成部分。
但通常情况下原子是呈电中性的，这表明原子中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。
第一个比较有影响的原子模型，是J.J.汤姆逊于1904年提出“电子浸浮于均匀正电球”中的模型。
他设想，原子中正电荷与电子间的作用力以及电子与电子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，不超过某一数目的电子将对称地组成一个稳定的环或球壳；当电子的数目超过一定值时，多余电子组成新的壳层，随着电子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用这种电子分布的壳层结构作出解释。
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α射线的大角度散射现象。
卢瑟福从1904年到1906年6月，做了许多α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1904-1905年也做了这样的实验。
他们发现, 在此实验中α射线速度减慢,而且径迹偏斜了(即发生散射现象).例如,通过云母的的某些α射线,从它们原来的途径约片斜2°,发生了小角度散射,1906年冬, 卢瑟福还认识到α粒子在某一临界速度以上时能打入原子内部,由它的散射和所引起的原子内电场的反应可以探索原子内部结构.而且他还预见到可能会出现较大角度的散射.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α粒子的很强的排斥力使粒子发生大角度偏转；原子核的体积很小，其直径约为原子直径的万分之一至十万分之一，核外是很大的空的空间，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子核的存在。
a粒子的散射实验根据汤姆生模型计算的结果，α粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的。
因为电子的质量很小，不到α粒子的七千分之一，α粒子碰a粒子的散射实验根据汤姆生模型计算的结果，α粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的。
因为电子的质量很小，不到α粒子的七千分之一，α粒子碰到它，运动方向不会有明显的改变；正电荷又是均匀分布的，α粒子穿过原子时，受到原子内部正电荷的斥力大部分相互抵消，使α粒子的偏转力不会很大。
汤姆生预言的α粒子散射卢瑟福演示的α粒子散射然而实验却得到了出乎意料的结果，绝大多数α粒子穿过金箔仍沿着原方向前进，少数α粒子却发生了大角度偏转，并且有极少数α粒子偏转角度超过900，有的甚至被弹回，偏角几乎达1800。
卢瑟福认为：产生粒子的大角度散射现象，需要很强的相互作用力，否则大角度散射是不可能。
为了解释这个实验结果，卢瑟福对粒子散射现象进行反复的验证和研究。
始终把实验看作高于一切的卢瑟福认为，也许汤姆生的原子结构模型有问题。
于是一个伟大的设想就开始产生了。
假如你仍然是当时的一位科学家，面对a粒子的散射实验的结果，你对原子的结构作什么样的进一步猜测？你又会提出什么问题呢到它，运动方向不会有明显的改变；正电荷又是均匀分布的，α粒子穿过原子时，受到原子内部正电荷的斥力大部分相互抵消，使α粒子的偏转力不会很大。
汤姆生预言的α粒子散射卢瑟福演示的α粒子散射然而实验却得到了出乎意料的结果，绝大多数α粒子穿过金箔仍沿着原方向前进，少数α粒子却发生了大角度偏转，并且有极少数α粒子偏转角度超过900，有的甚至被弹回，偏角几乎达1800。
卢瑟福认为：产生粒子的大角度散射现象，需要很强的相互作用力，否则大角度散射是不可能。
为了解释这个实验结果，卢瑟福对粒子散射现象进行反复的验证和研究。
始终把实验看作高于一切的卢瑟福认为，也许汤姆生的原子结构模型有问题。
于是一个伟大的设想就开始产生了。
假如你仍然是当时的一位科学家，面对a粒子的散射实验的结果，你对原子的结构作什么样的进一步猜测？你又会提出什么问题呢。
原子物理实验题：观察α粒子散射实验在探索原子结构的漫长历程中，α粒子散射实验无疑是一颗璀璨的明珠。
这个实验为我们揭示了原子内部的神秘世界，彻底改变了人们对物质结构的认识。
让我们先来了解一下什么是α粒子。
α粒子其实就是氦原子核，它由两个质子和两个中子组成，带正电。
在这个实验中，α粒子就像是我们探索原子内部的“小侦探”。
实验的装置并不复杂，但却极其巧妙。
在一个真空的环境中，有一个金箔靶，α粒子源会发射出一束α粒子，朝着金箔靶射去。
在金箔的周围，放置着一些可以检测α粒子散射情况的荧光屏或者探测器。
当α粒子束射向金箔时，发生的现象令人惊奇。
大多数的α粒子竟然如同预期的那样，直接穿过了金箔，几乎没有受到什么阻碍。
这就好像是一个小球穿过了一张薄纸，畅通无阻。
但也有一部分α粒子发生了较大角度的偏转，甚至还有极少数的α粒子被直接反弹了回来。
这一结果与当时流行的“枣糕模型”大相径庭。
按照“枣糕模型”，原子就像是一块均匀分布着正电荷和电子的蛋糕，α粒子应该都能顺利穿过，不应该有大角度的偏转和反弹。
然而，实验结果却暗示着原子内部并非是均匀的，而是存在着一个很小但质量很大、带正电的核心——原子核。
为什么会这样呢？想象一下，α粒子就像是一个小小的炮弹，当它朝着一片空旷的区域飞去时，自然不会遇到什么阻碍。
但如果这片区域存在着一个坚固的堡垒，那么炮弹就有可能被弹开或者改变方向。
在原子中，原子核所占的体积非常小，但却集中了原子几乎全部的质量。
当α粒子靠近原子核时，由于原子核带正电，α粒子也带正电，同种电荷相互排斥，α粒子就会受到强大的库仑力，从而发生偏转。
如果α粒子正好正对着原子核射去，就有可能被直接反弹回来。
这个实验的意义非凡。
它不仅让我们认识到了原子的核式结构，还为后来的量子力学的发展奠定了基础。
通过观察α粒子散射实验，我们明白了物质的微观世界是极其复杂和奇妙的。
每一个微小的粒子都遵循着一定的规律，而这些规律需要我们通过精心设计的实验去发现和理解。
卢瑟福的a粒子散射实验现象及结论一、实验介绍二、实验现象1. α粒子的发射与散射2. α粒子的反跳现象三、实验结论1. 原子具有空心结构2. 原子核具有正电荷3. 原子核与电子的比例关系四、实验意义及影响一、实验介绍卢瑟福的a粒子散射实验是物理学中非常重要的一个经典实验，它是对原子结构和性质进行研究的基础。
该实验于1910年由英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）领导完成，是一项利用α粒子对原子核进行探测的实验。
二、实验现象1. α粒子的发射与散射在卢瑟福的a粒子散射实验中，首先将α放射源放置在一个铅盒中，使其向外发出α粒子。
然后将α粒子引入真空玻璃管中，通过调节电压和电流来使α粒子加速，并通过一个小孔射向金箔靶。
在金箔靶后面设立一个荧光屏，用来观察α粒子的散射情况。
实验结果表明，大多数α粒子直线穿过金箔靶，只有极少数α粒子被散射。
这说明原子具有空心结构，其中正电荷集中在原子核内。
2. α粒子的反跳现象在实验中，还观察到了α粒子的反跳现象。
即有些α粒子经过金箔靶后会发生反弹，回到射线源处。
这说明原子核具有正电荷，并且与电子相比非常小。
三、实验结论1. 原子具有空心结构卢瑟福的a粒子散射实验表明，大多数α粒子直线穿过金箔靶，只有极少数α粒子被散射。
这说明原子具有空心结构，其中正电荷集中在原子核内。
2. 原子核具有正电荷实验还观察到了α粒子的反跳现象。
即有些α粒子经过金箔靶后会发生反弹，回到射线源处。
这说明原子核具有正电荷，并且与电子相比非常小。
3. 原子核与电子的比例关系通过对实验数据的分析，卢瑟福得出了一个重要的结论：原子核的质量与电子的质量相比非常大，而原子核的直径只有原子直径的万分之一。
这说明原子核与电子的比例关系是非常不同的。
四、实验意义及影响卢瑟福的a粒子散射实验是对原子结构和性质进行研究的基础。
它揭示了原子具有空心结构，其中正电荷集中在原子核内；同时也证明了原子核具有正电荷，并且与电子相比非常小。
交通大学实验报告
第1页（共7页）课程：_______近代物理实验_______ 实验日期：年月日
专业班号___ ___组别_______ 交报告日期：年月日
姓名__Bigger__学号_ _ 报告退发：（订正、重做）
同组者___ ________ 教师审批签字：
实验名称：α粒子散射
一、实验目的
1)初步了解近代物理中有关粒子探测技术和相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面公式。
3)测量α粒子在空气中的射程。
二、实验仪器
粒子源，真空室，探测器与计数系统，真空泵
三、实验原理
1．α粒子散射理论
（1）库仑散射偏转角公式
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：
设E Ze a
02
42πε=，则a b ctg 22=θ，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。
经常使用的是微分散射截面公式，微分散射截面公式
0d ()d 1
d d n n N t σθ=⋅ΩΩ
其物理意义为，单位面积垂直入射一个粒子（n =1）时，被这个面积一个靶原子（10=t N ）散射到θ角附近单位立体角的概率。
最终得到
22
2400d ()d 121
d d 44sin 2
n Ze nN t E σθθ
πε⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪
ΩΩ⎝⎭⎝⎭ 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α粒子的能量，得到公式：
2
4d 21
1.296d sin 2Z E σθ⎛⎫
= ⎪Ω⎛⎫⎝⎭
⎪
⎝⎭
其中，d d σ
Ω
的单位为sr mb /，E 的单位为MeV 。
2． 卢瑟福理论的实验验证方法
对卢瑟福散射公式，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
t N ∝。
（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2
1
E N ∝。
（3） 改变散射角，验证2
sin
14
θ
∝
N 。
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2Z N ∝。
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，这一实验容的难度较大。
本实验中，只涉及到第（3）方面的实验容，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
（1）散射真空室 （2）电子学系统
（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α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θ，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。
四、 实验步骤
1) 若打开真空室上盖，可以直接观察并调节散射源准直孔大致与探测器准直
孔，盖紧真空室盖子。
2) 打开机械泵，对真空室进行抽真空，以减少空气对α粒子的阻碍作用。
3) 通过步进电机细调散射源准直孔与探测器准直孔的相对位置，同时观察计数
器窗口显示所接受到的最多粒子数时，两准直孔处于对正状态，称为物理零点。
4) 若不打开真空室上盖，可直接利用步骤3来寻找物理零点。
5) 数据测量时，先倒转10°(为350°)，并开始测量围从350°经至50°共转过 60°
区间，其中在θ=350°～20°间,每转 1°记录5组数据,在θ=20°～50°每转过5°记录5组数据
6) 测量值按同一测量时间归一。
以为纵坐标作图。
以函数形式
1
4
sin ()
2
P N θ
=
进行曲线拟合，并在同一坐标上画出拟合曲线。
其中，N 为散射计数，P 1为拟合参数。
7) 结论。
五、 实验数据记录与处理
17 177 193 156 161
137 164.8 18 148 197 141 172 134 158.4 19 150 156 136 167 134 148.6 20 133 137 115 134 148 133.4 25 122 100 110 116 137 117 30 143 110 105 115 138 122.2 35 104 128 85 118 97 106.4 40 105 107 89 108 85 98.8 45 119 109 91 97 106 104.4 50
102
102
112
124
97
107.4
1
4
sin ()2
N θ
=
公式只有在大角度时拟合良好，故采取1
4
sin ()2
N A B θ
=+
+作为
修正公式进行拟合，其中A ，B 为常数，进行拟合后如下图所示：
拟合参数P 1 = 0.018，A = 110，B = 0.0000109。
再用
1
4
sin ()2
P N θ
=
直接进行分段数据拟合，取10°~14°的散射角得
拟合参数P 1 = 0.035。
由上述分析可知，散射计数N 随着散射角θ增加而减小，大概类似于指数衰减曲线。
在大角度时，基本符合卢瑟福散射公式中的计数与散射角之间的关系
2
sin 14θ
∝
N 。
六、 原理探究
在二十世纪初，汤姆提出了一个葡萄干面包式原子结构模型。
但卢瑟福在做α粒子散射实验发现，大多数α粒子没有受任何影响直接通过金箔, 有1/8000的粒子偏转大于90°，其中有大于180°的。
所以猜测原子核之间肯定有很大的空间。
因为有一部分带正电的α粒子被完全反射回来，所以原子核同样带正电。
并且由动量守恒可知，要使α粒子被完全反射回来，原子核的质量必须足够大。
卢瑟福在1911年提出另一个模型，他设想原子中带正电部分很小，电子在带正电
部分的外边，这样，α粒子在接近原子时，它受电子的作用引起的运动的改变如上文所说还是不大，受正电体的作用就不同了，此时正电体很小，α进入原子区域，但还在正电体之外，整个正电体对它的作用，因此受正电体的力是2Ze 2 / (4πe 0r 2)。
而且正电体很小，所以r 可以很小，所受的力可以很大，因此就能产生大角散射。
如果卢瑟福猜想是正确的，实验结果应该与理论公式符合，从而得到下列四种关系：①在同一α粒子源和同一散射物的情况下，4'sin '2dn θα⎛⎫
= ⎪Ω⎝⎭
常数②用同一α粒子源和同一种材料的散射物，在同一散射角，
'
'
dn αΩ与散射物厚度t 成正比③用同一散射物在同一散射角，4
''
dn v α=Ω常数④用同一α粒子源，
在同一散射角，对同一Nt 值，'
'
dn αΩ与Z 2成正比。
本实验只对关系①进行了探究，并其假设只对散射角较大时成立。
由于金属箔具有厚度，α粒子穿过会遭遇多个原子核，较小的θ角是多次小角散射合成的，故而在45°以下的散射与理论不符。
而大散射角可以认为是一次大角散射和多次小角散射合成，比起大角散射，小角散射造成的影响可以忽略。
而我们此次实验仅记录了-10°~50°的小角散射情况，是无法验证卢瑟福核式原子模型的理论的。
七、 思考题
1.241Am 或238Pu 放射源发出的α粒子在空气中的射程是多少？
答：241Am 射程为41mm ，238Pu 未能查得，但也在几厘米以。
2.卢瑟福散射实验中的实验数据误差应如何计算？
答：
造成实验误差的原因可能有以下这些：
1)在小角度条件下，由于有多层散射物，造成粒子的二次甚至多次散射；
2)θ = 0的确定有比较主观随意，只是近似的而不可能绝对的准确；
3)实验中选取在不同角度下接受粒子的时间尺度随偏离角度增大而增大，
目的是为了减小误差，但时间又不可能趋于无穷大，故总共接受的粒子
数会有一定的偏差；
4)阈值的选择可能会影响实验结果；
5)粒子向各方向出射数目和概率不一定严格相同；
6)粒子源所在金属盒不可能是完全真空，总有一部分空气的影响；
7)放射源本身的随机误差；
8)外界环境（如手机信号等）对α粒子散射和示波器等造成的影响。
误差计算方法为把数据的算数平均偏差代入公式进行计算。
3.在α粒子的射程附近，为什么射程曲线是逐渐下降的？
答：带电粒子在物质中运动时，不断损失能量，待能量耗尽，就停留在物质中，粒子束在平均射程附近有明显的吸收，所以射程曲线是逐渐下降的。
