卢瑟福散射实验VIP专享

实验3 .3 卢瑟福散射实验 卢瑟福散射实验是近代物理科学发展史中最重要的实验之一。在1897 年汤姆逊（J.J.Thomson）测定电子的荷质比，提出了原子模型，他认为原子中的正电荷分布在整个原子空间，即在一个半径R≈10-10m区间，电子则嵌在布满正电荷的球内。电子处在平衡位置上作简谐振动，从而发出特定频率的电磁波。简单的估算可以给出辐射频率约在紫外和可见光区，因此能定性地解释原子的辐射特性。但是很快卢瑟福（E.Rutherford）等人的实验否定这一模型。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 1/800α 粒子发生散射角大于 900。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10－15m，约为原子半径的千万分之一。卢瑟福散射实验确立了原子的核式结构，为现代物理的发展奠定了基石。 本实验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 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 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 角，如图 3.3-1所示。图中 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 3.3-1 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： 222202241rrmrZeE （1） Lbmmr...