14156卢瑟福背散射分析

陈杨PB05210097 物理二班实验题目:卢瑟福散射实验实验目的:1.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；2.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ν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θ角，如图所示。

图中ν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α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：⎪⎪⎭⎫⎝⎛++⋅=••222202241ϕπεr r m r Ze E （1）L b m mr ==••νϕ2 （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：202242Ze Ebctgπεθ= （3）设E Ze a 0242πε=，则 a bctg22=θ（4）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，θ与b 有对应关系，b 大，θ就小，如图所示。

那些瞄准距离在b 到db b +之间的α粒子，经散射后必定向θ到θθd -之间的角度散出。

因此，凡通过图中所示以b 为内半径，以db b +为外半径的那个环形ds 的α粒子，必定散射到角θ到θθd -之间的一个空间圆锥体内。

实验报告卢瑟福背散射分析（RBS实验姓名：学号：院系：物理学系实验报告一、实验名称卢瑟福背散射分析（RBS实验二、实验目的1、了解RBS实验原理、仪器工作结构及应用；2、通过对选定的样品的实验，初步掌握RBS实验方法及谱图分析;3、学习背散射实验的操作方法。

三、RBS实验装置主要包括四个部分：1、一定能量离子束的的产生装置----加速器2、离子散射和探测的地方----靶室3、背散射离子的探测和能量分析装置4、放射源RBS图1背散射分析设备示意图1•离子源 2.加速器主体3•聚焦系统 4.磁分析器5•光栅6.靶室7•样品8.真空泵9.探测器10.前置放大器11.主放大器12.多道分析器13.输出四、实验原理当一束具有一定能量的离子入射到靶物质时，大部分离子沿入射方向穿透进去，并与靶原子电子碰撞逐渐损失其能量，只有离子束中极小部分离子与靶原子核发生大角度库仑散射而离开原来的入射方向。

入射离子与靶原子核之间的大角度库仑散射称为卢瑟福背散射（记为RBS。

用探测器对这些背散射粒子进行侧量，能获得有关靶原子的质量、含量和深度分布等信息。

入射离子与靶原子碰撞的运动学因子、散射截面和能量损失因子是背散射分析中的三个主要参数。

1、运动因子K 和质量分辨率 1）运动学因子K当一定能量（对应于一定速度）的离子射到靶上时，入射离子和靶原子发生弹性碰撞，人 射离子的部分能量传给了被撞的靶原子，它本身则被散射，散射的方向随一些参量而变化, 如图2（质心坐标系）所示•设Z i , Z 2分别为入射离子及靶原子的原子序数，m 、 M 分别为它们的原子质量，e 为单位电子电荷量，V o 为入射离子的速度，b 为碰撞参量或瞄准距离（即入 射轨迹延伸线与靶原子核的距离 ），x 为散射角•由分析力学可以推导出。

,即存在着大角度的被反弹回来的离子，如图3所示。

RBS 分析中正是这种离子，所人射离于* ff< □~~-图2弹性散射（质心坐标系）图3是实验室坐标系的背散射示意图撞后为v i 和V 2,散射角为0o 可以证明，在 m<W 的条件下，B~,x 即实际上存在着被反向 散射的离子。

实 验 报 告实验题目：卢瑟福散射实验实验目的：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：见预习报告。

数据处理：1．确定物理0°的位置。

在不同角度下，2s 内计数，结果如下：由上述数据可知2°处为物理0°。

按RESET 清零。

2．测量散射α粒子数。

测量数据及数据处理如下表：P的平均值为：4968.051==∑=i iPP标准差1123.04)(511=-=∑=-i i n P P σA 类不确定度：050.051123.051==-n Au σP=0.95时782.t p=，故139.0050.078.2=⨯==A p u t u因此14.050.0±=P ，P=0.95。

作)2/(sin 1~4θN曲线如下图：102030405060708090100N /100s1/[sin 4(θ/2)]N~1/[sin 4(θ/2)]曲线Linear Regression for Data7_B:Y = A + B * X Parameter Value Error------------------------------------------------------------A 6.80125 4.40716B 0.37696 0.03644------------------------------------------------------------ R SD N P------------------------------------------------------------ 0.98627 5.6309550.00193------------------------------------------------------------由上图可以看出，实验测得的5个点基本在一条直线上，斜率0.37696，因此可以认为P 近似为常数。

卢瑟福阿尔法粒子散射实验说明第一部分：引言1.1 卢瑟福阿尔法粒子散射实验的重要性卢瑟福阿尔法粒子散射实验是物理学领域中具有里程碑意义的实验之一，通过这个实验，人们首次认识到了原子的内部结构和核的存在。

本文将深入探讨卢瑟福阿尔法粒子散射实验的实验过程、结果和意义，希望能够帮助读者更深入地理解这一重要的实验。

1.2 卢瑟福阿尔法粒子散射实验的背景在开始详细解释实验过程之前，我们首先需要了解卢瑟福阿尔法粒子散射实验的背景。

在20世纪初，科学家们普遍认为原子是不可分割的基本粒子，然而，这一观念在进行卢瑟福散射实验之后发生了改变。

...第六部分：个人观点和理解在本文中，我们详细讨论了卢瑟福阿尔法粒子散射实验的实验过程、结果和意义，并探讨了实验对现代物理学的影响。

通过深入的研究，我对这一实验有了更清晰的认识，也对原子结构的探索历程有了更深刻的理解。

我认为，卢瑟福阿尔法粒子散射实验是现代物理学发展历程中的关键一步，它为我们揭开了原子结构的神秘面纱，也为后来的科学研究奠定了坚实的基础。

总结：通过本文的阐述，我们了解了卢瑟福阿尔法粒子散射实验的实验背景、过程、结果和意义，深刻认识到了这一实验对原子结构研究和现代物理学发展的重要性。

希望本文能够帮助读者更深入地理解这一重要的实验，并对原子结构的探索历程有一定的了解。

我也希望本文能够激发读者对科学研究的兴趣，鼓励大家进一步了解和探索这一令人着迷的领域。

作者急切地期盼着读者们能够对卢瑟福阿尔法粒子散射实验产生兴趣，并对这一重要实验进行更深入的了解和探索。

接下来，我们将进一步扩展和深化关于实验过程、结果和意义的讨论，同时也会涉及到一些相关实验和理论的发展，以便更全面地了解这一实验对现代物理学的重要性。

2.1 实验过程的详细讨论在卢瑟福阿尔法粒子散射实验中，实验装置包括一个具有一定厚度和一定粒度的金属箔，以及一台阿尔法粒子发射装置和一个探测屏。

当阿尔法粒子通过金属箔时，它们会与金属原子核发生散射，然后经过一定角度后，散射的阿尔法粒子会被探测屏捕捉到。

卢瑟福背散射分析（RBS）实验吴玉龙核科学与技术学院201121220011一、实验目的1.了解RBS分析原理，认识实验装置2.通过对选定的样品进行分析实验，初步掌握RBS分析方法，谱图分析及相关的应用二、实验装置RBS实验装置主要由四部分组成：1.加速器（一定能量离子束的的产生装置）2.靶室（离子散射和探测的地方）3.背散射离子的探测和能量分析装置4.放射源RBS三、实验原理背散射分析就是在一束单能的质子、(粒子或其他重离子束轰击固体表面时,通过探测卢瑟福背散射（弹性、散射角大于90度）离子的能量分布（能谱）和产额确定样品中元素的种类（质量数）、含量及深度分布。

当入射离子能量远大于靶中原子的结合能(约10ev量级)，并低于与靶原子发生核反应的能量(一般100kev<E<1Mev)时，离子在固体中沿直线运动，入射离子主要通过与电子相互作用而损失能量，直到与原子核发生库仑碰撞被散射后又沿直线回到表面。

在这个背散射过程中包含四个基本物理概念。

它们是：两体弹性碰撞的运动学因子K、微分散射截面、固体的阻止截面、能量歧离，这四个基本概念是背散射分析的理论基础和应用的出发点也是限制其应用的最终因素。

1）运动学因子和质量分辨率运动学因子K=E1/E0，其中E0是入射粒子能量，E1是散射粒子能量。

由于库仑散射是弹性散射，则根据动量守恒和能量守恒可得，22011cos sin 121⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝⎛−==M m M m M m E E K θθ由运动学因子公式可以看出：当入射离子种类（m ），能量（E 0）和探测角度（θ）一定时，E 1与M 成单值函数关系。

所以，通过测量一定角度散射离子的能量就可以确定靶原子的质量数M 。

这就是背散射定性分析靶元素种类的基本原理。

质量分辨率ΔM 定义1011011()(−∆=∆•=∆•=∆dMdK E E E KE d dM E dE dM M RBS 的质量分辨率10)(−=dM dK E E M δδ，δE 是RBS 探测器系统的能量分辨率，也就是可分辨的背散射离子最小的能量差别。

卢瑟福散射公式的推导及谈α粒子散射实验的应用意义摘要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1/8000α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，约为原子半径的千万分之一。

α粒子散射实验是物理学史上具有里程碑意义的重要实验之一,评为“最美丽”的十大物理实验之三。

由α散射实验现象确立了原子的核式结构，为现代物理的发展奠定了基石。

从20世纪60年代中后期首先应用卢瑟福背散射于月球表面元素成分分析至今，成为成为一种常规的杂质成分、含量及深度分布、膜厚度分析手段。

本文首先介绍原子的的大小和质量，然后介绍原子有核模型提出的历史过程和α粒子散射实验的过程，根据α粒子散射实验中不可忽视的大角度散射引出卢瑟福原子模型，运用相关数学手段和理论力学的基本知识具体详细的推导出库伦散射公式和卢瑟福散射公式，指出了行星模型的意义和困难，并阐述了α粒子散射实验实际应用意义和α粒子试验仪在天体物理中的应用，在最后对相关数学手段和理论力学的相关知识进行了详细的介绍。

关键词：α粒子散射实验；库仑散射公式；卢瑟福散射公式；行星模型；原子稳定性AbstractIn 1909，Rutherford and his assistant Geiger (H. Geiger) and students Marsden (E. Marsden) doing α particles and thin foil scattering experiments observed that most of the α-particles is almost directly through the platinum foil But occasionally, about 1/8000α particles in the scattering angle greater than 90 °. The results of this experiment was to be accepted in the United Kingdom Thomson atomic model could not explain. Chiang Kai-shek in the Thomson model of charge distribution in the atom, based on the analysis of Coulomb force, α par ticles from the hot core closer, suffered the smaller Coulomb force, and in the atom, the atom is neutral, α particles and atoms almost no interaction. Coulomb force in the largest sphere, large angle scattering can not occur. Rutherford, who after two years of analysis, in 1911 proposed the nuclear atom-type model, the positive charge concentration of atoms at the atomic center of a very small area, and the atoms of all the quality of focus within the region. Radius of the nucleus is approximately 10, approximately ten-millionth of atomic radius. α-particle scattering experiment is a milestone in the history of physics in one of the important experiments, as the "most beautiful" of the top ten physics experiments III. Established by the α scattering behavio r of atoms and nuclear structure, the development of modern physics have laid a foundation. 60 years from the late 20th century, first applied Rutherford backscattering elemental composition analysis on the lunar surface so far as to become a routine impurity content and depth distribution, film thickness analysis tool. This paper describes the size and quality of the atom, then introduces a nuclear atom model proposed by the historical process and α-particle scattering process, according to α-particle scattering experiment can not be ignored in the large angle scattering leads to Rutherford atomic model, the use of relevant mathematics tools and basic knowledge of theoretical mechanics specific detailed Coulomb scattering formula is derived and the Rutherford scattering formula, that the planetary model of the significance and difficulties, and described the practical application of α-particle scattering experiment significance and α particle tester in astrophysics application of mathematical methods in the final of the relevant knowledge and theoretical mechanics, a detailed description.Keywords：Alpha particle Scattering experiments; Coulomb scattering formula; Rutherford formula; planetary model; Atomic stability目录绪论-------------------------------------------------------- 1第一章背景知识-------------------------------------------- 31.1 电子的发现------------------------------------------------------- 3 1.2 电子的电荷和质量-------------------------------------------------- 4 1.3 阿伏伽德罗常数---------------------------------------------------- 4 1.4 原子的大小------------------------------------------------------- 4第二章原子核式结构理论提出的历史过程----------------------- 62.1 汤姆孙在发现电子后提出的原子结构设想------------------------------ 6 2.2 开尔文原子模型---------------------------------------------------- 6 2.3 汤姆孙的葡萄干—布丁原子模型-------------------------------------- 7 2.4 勒那德的原子模型-------------------------------------------------- 7 2.5 长岗的土星原子模型------------------------------------------------ 8 2.6 尼克尔森的初始物质原子结构--------------------------------------- 9第三章α粒子散射实验及大角度散射现象的思考--------------- 103.1 α粒子散射实验--------------------------------------------------- 10 3.2 大角度散射现象引出的思考和核式模型的由来------------------------- 11第四章库伦散射公式及卢瑟福散射公式的推导------------------ 144.1 库伦散射公式----------------------------------------------------- 14 4.2 卢瑟福散射公式--------------------------------------------------- 16第五章卢瑟福理论的实验验证------------------------------- 185.1 卢瑟福散射公式的拓展--------------------------------------------- 18 5.2 卢瑟福理论的实验验证--------------------------------------------- 19 5.3 关于小角与180°处的卢瑟福公式----------------------------------- 21第六章α粒子散射实验的应用意义--------------------------- 226.1 对于α粒子散射实验的回顾和一些说明------------------------------ 22 6.2 用α粒子散射实验估计原子核大小--------------------------------- 22 6.3 α粒子散射实验的新应用——卢瑟福背散射分析---------------------- 24 6.4 粒子散射实验给我们今天留下的财富 ----------------------------- 24第七章行星模型的意义和困难-------------------------------- 267.1 行星模型的意义--------------------------------------------------- 26 7.2 行星模型的困难--------------------------------------------------- 26参考文献--------------------------------------------------- 28附录------------------------------------------------------- 29附录A 中心力---------------------------------------------------- 29附录B 极坐标------------------------------------------------------ 30附录C 两体问题--------------------------------------------------- 33绪论原子物理学是研究原子结构，运动规律及相互作用的物理学的一个分支，主要研究：原子的电子结构、原子光谱、原子之间或与其他物质的碰撞过程和相互作用。