α粒子散射实验报告含思考题.docx

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1、-成绩交通大学试验报告第 1 页共 7 页课程： 近代物理试验试验日期：年月日专业班号组别交报告日期： 年月日*Bigger*报告退发：订正、重做同组者教师审批签字：试验名称： 粒子散射一、 试验目的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构造，生疏半导体探测器的使用方法。2) 试验验证瑟福散射的微分散射截面公式。3) 测量粒子在空气中的射程。二、 试验仪器粒子源，真空室，探测器与计数系统，真空泵三、 试验原理1. 粒子散射理论1库仑散射偏转角公式可以证明粒子的路线是双曲线，偏转角与瞄准距离 b 有如下关系：.z.设a =2Ze2，则ctg q=2b ，这就是库仑散射偏转角公

2、式。4peE2a02卢瑟福散射公式在上述库仑散射偏转公式中有一个试验中无法测量的参数 b，因此必需设法查找一个可测量的量代替参数 b 的测量。常常使用的是微分散射截面公式，微分散射截面公式其物理意义为，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 N 0t = 1 散射到q 角四周单位立体角的概率。最终得到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a 粒子的能量，得到公式： 其中， ds dW 的单位为mb / sr ，E 的单位为 MeV。2. 卢瑟福理论的试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，转变金靶的厚度，验证散射计数率与

3、靶厚度的线性关系N t 。（2） 更换粒子源以转变粒子能量，验证散射计数率与粒子能量的平方反比关系 N 1 E 2 。（3） 转变散射角，验证N 的特征。1sin 4 q2。这是卢瑟福散射击中最突出和最重要（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 N Z 2 。由于很难找到厚度一样的散射靶，而且需要对原子数密度n 进展修正，这一试验容的难度较大。本试验中，只涉及到第3方面的试验容，这是对卢瑟福散射理论最有力的验证。3. 卢瑟福散射试验装置1散射真空室2电子学系统3步进电机及其掌握系统在试验过程中，需在真空条件下测量不同散射角的出射a 粒子计数

4、率，这样就需要常常地变换散射角度。在本试验装置中利用步进电机来掌握散射角q ，可使试验过程变得极为便利。不用每测量一个角度的数据便翻开真空室转换角度， 只需在真空室外掌握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，简洁的开环掌握即可到达所需准确的掌握。四、 试验步骤1) 假设翻开真空室上盖，可以直接观看并调整散射源准直孔大致与探测器准直孔，盖紧真空室盖子。2) 翻开机械泵，对真空室进展抽真空，以削减空气对a 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，同时观看计数器窗口显示所承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) 假

5、设不翻开真空室上盖，可直接利用步骤 3 来查找物理零点。5) 数据测量时，先倒转 10(为 350)，并开场测量围从 350经至 50共转过60区间，其中在q =35020间,每转 1记录 5 组数据,在q =2050 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进展曲线拟合，并在同一坐标上画出拟合曲线。其中，N 为散射计数，P 为拟合参数。7) 结论。五、 试验数据记录与处理散射角/散射计数 N平均值-10910923896870879895.6-9112210741052111610831089.4-811891153123011151127116

6、2.8-7129712801364133712681309.2-6141014721432134113841407.8-5156715631509153214881531.8-4162516171567162315761601.6-3169616871699170817071699.4-2174716981742184617171750-1178917431772181617331770.60180718511758167518401786.21175217561818180418261791.22171118071711171817351736.43154815251656163415401

7、580.64144314931506154015361503.65121711511210119611841191.661099114211511122105111137902924931901889909.488048658287607337989571612600585569587.410520548487534514520.61131335643334334535812273275278280247270.613278298277275278281.214200172210208239205.815221210210209206211.21618818819319519017177193

8、156161137164.818148197141172134158.419150156136167134148.620133137115134148133.42512210011011613711730143110105115122.2351041288511897106.440105107891088598.8451191099197106104.45010210211212497107.4PN =1 qsin4 () 2公式只有在大角度时拟合良好，故实行 N = A +1作为qPsin4 () + B 2修正公式进展拟合，其中 A，B 为常数，进展拟合后如以以下图所示：1拟合参数P =

9、0.018，A = 110，B = 0.0000109。再用PN =1 qsin4 () 2直接进展分段数据拟合，取1014的散射角得拟合参数 P1= 0.。由上述分析可知，散射计数N随着散射角增加而减小，或许类似于指数衰减曲线。在大角度时，根本符合卢瑟福散射公式中的计数与散射角之间的关系1N 。sin 4 q2六、 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构造模型。但卢瑟福在做 粒子散射试验觉察，大多数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确定有很大的空间。由于有一局部带正电的粒子被完全反射回来，所以原子

10、核同样带正电。并且由动量守恒可知，要使粒子被完全反射回来，原子核的质量必需足够大。卢瑟福在 1911 年提出另一个模型，他设想原子中带正电局部很小，电子在带正电局部的外边，这样，粒子在接近原子时，它受电子的作用引起的运动的转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， 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 2Ze2 / (4e r2)。0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。假设卢瑟福猜测是正确的，试验结果应当与理论公式符合，从而得到以下四种关系：在同一粒子源和同一散射物的状况下， dn ”aW ”si

11、n4 q = 常数用同一 2 粒子源和同一种材料的散射物，在同一散射角，dn ” 与散射物厚度 t 成正比aW”用同一散射物在同一散射角，dn ”a W ”v4 = 常数用同一粒子源，在同一散射角，对同一 Nt 值，dn ” 与 Z2 成正比。aW”本试验只对关系进展了探究，并其假设只对散射角较大时成立。由于金属箔具有厚度，粒子穿过会患病多个原子核，较小的角是屡次小角散射合成的， 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屡次小角散射合成，比起大角散射，小角散射造成的影响可以无视。而我们此次试验仅记录了-1050的小角散射状况，是无法验证卢瑟福核式原子模型的理论的。七

12、、 思考题1.241Am 或 238Pu 放射源发出的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.卢瑟福散射试验中的试验数据误差应如何计算.答：造成试验误差的缘由可能有以下这些：在小角度条件下，由于有多层散射物，造成粒子的二次甚至屡次散射；1) = 0 确实定有比较主观随便，只是近似的而不行能确定的准确；2)试验中选取在不同角度下承受粒子的时间尺度随偏离角度增大而增大，3)目的是为了减小误差，但时间又不行能趋于无穷大，故总共承受的粒子数会有肯定的偏差；阈值的选择可能会影响试验结果；4)粒子向各方向出射数目和概率不肯定严格一样；5)粒子源所在金属盒不行能是完全真空，总有一局部空气的影响；6)放射源本身的随机误差；7)外界环境如手机信号等对粒子散射和示波器等造成的影响。8)误差计算方法为把数据的算数平均偏差代入公式进展计算。3.在粒子的射程四周，为什么射程曲线是渐渐下降的.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，粒子束在平均射程四周有明显的吸取，所以射程曲线是渐渐下降的。