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歷史

阿爾法粒子散射的實驗完成于1909年。在那時代，原子被認為類比于梅子布丁（物理學家約瑟夫·湯姆孫提出的），負電荷（梅子）分散于正電荷的圓球（布?。＜偃暨@梅子布丁模型是正確的，由于正電荷完全散開，而不是集中于一個原子核，庫侖位勢的變化不會很大，通過這位勢的阿爾法粒子，其移動方向應該只會有小角度偏差。

在盧瑟福的指導下，蓋革和馬士登發(fā)射阿爾法粒子射束來轟擊非常薄、只有幾個原子厚度的金箔紙。然而，他們得到的實驗結果非常詭異，大約每8000個阿爾法粒子，就有一個粒子的移動方向會有很大角度的偏差（甚至超過 90°）；而其它粒子都直直地通過金箔紙，偏差幾乎在2°到3°以內(nèi)，甚至幾乎沒有偏差。從這結果，盧瑟福斷定，大多數(shù)的質(zhì)量和正電荷，都集中于一個很小的區(qū)域（這個區(qū)域后來被稱作“原子核”）；電子則包圍在區(qū)域的外面。當一個（正價）阿爾法粒子移動到非常接近原子核，它會被很強烈的排斥，以大角度反彈。原子核的小尺寸解釋了為什么只有極少數(shù)的阿爾法粒子被這樣排斥。

盧瑟福對這奇異的結果感到非常驚異。正如同他后來常說的：“這就好像一張衛(wèi)生紙射出一枚15吋的炮彈，炮彈卻彈回來打中你一樣。”

盧瑟福計算出原子核的尺寸應該小于 10? ? -->14m{\displaystyle 10^{-14}m\,\!} 。至于其具體的數(shù)值，盧瑟福無法從這實驗決定出來。關于這一部分，請參閱后面的“原子核最大尺寸”一節(jié)。

微分截面

一個粒子的排斥散射。所有通過左邊圓環(huán) dσ σ -->{\displaystyle d\sigma \,\!} 的粒子，感受到位勢的作用，必定會通過右邊圓環(huán) dΩ Ω -->{\displaystyle d\Omega \,\!} 。

盧瑟福計算出來的微分截面是

其中，σ σ -->{\displaystyle \sigma \,\!截面是截面，Ω Ω -->{\displaystyle \Omega \立體角} 是立體角，q{\displaystyle q\,\!} 是阿爾法粒子的電荷量，Q{\displaystyle Q\,\!} 是散射體的電荷量，? ? -->0{\displaystyle \epsilon _{0}\,\!} 是真空電容率，E{\displaystyle E\,\!} 是能量，θ θ -->{\displaystyle \theta \,\!} 是散射角度。

原子核最大尺寸

假設阿爾法粒子正面碰撞于原子核。阿爾法粒子所有的動能（mv02/2{\displaystyle mv_{0}^{2}/2\,\!}），在碰撞點，都被轉(zhuǎn)換為勢能。在那一剎那，阿爾法粒子暫時是停止的。從阿爾法粒子到原子核中心的距離 b{\displaystyle b\,\!} 是原子核最大尺寸。應用庫侖定律，

其中，m{\displaystyle m\,\!} 是質(zhì)量，v0{\displaystyle v_{0}\,\!} 是初始速度。

重新編排，

阿爾法粒子的質(zhì)量是 m=6.7× × -->10? ? -->27 kg{\displaystyle m=6.7\times 10^{-27}\ kg\,\!} ，電荷量是 q=2× × -->(1.6× × -->10? ? -->19) C{\displaystyle q=2\times (1.6\times 10^{-19})\ C\,\!} ，初始速度是 v0=2× × -->107 m/s{\displaystyle v_{0}=2\times 10^{7}\ m/s\,\!} ，金的電荷量是 Q=79× × -->(1.6× × -->10? ? -->19) C{\displaystyle Q=79\times (1.6\times 10^{-19})\ C\,\!} 。將這些數(shù)值代入方程，可以得到撞擊參數(shù)b=2.7× × -->10? ? -->14 m{\displaystyle b=2.7\times 10^{-14}\ m\,\!} （真實半徑是 7.3× × -->10? ? -->15 m{\displaystyle 7.3\times 10^{-15}\ m\,\!} ）。這些實驗無法得到真實半徑，因為阿爾法粒子沒有足夠的能量撞入 27 fm{\displaystyle 27\ fm\,\!} 半徑內(nèi)。盧瑟福知道這問題。他也知道，假若阿爾法粒子真能撞至 7.3 fm{\displaystyle 7.3\ fm\,\!} 半徑，直接地擊中金原子核，那么，在高撞擊角度（最小撞擊參數(shù) b{\displayst雙曲線 b\,\!} ），由于位勢不再是庫侖位勢，實驗得到的散射曲線的樣子會從雙曲線改變?yōu)閯e種曲線。盧瑟福沒有觀察到別種曲線，顯示出金原子核并沒有被擊中。所以，盧瑟福只能確定金原子核的半徑小于 27 fm{\displaystyle 27\ fm\,\!} 。

1919 年，在盧瑟福實驗室進行的另一個非常類似的實驗，物理學家發(fā)射阿爾法粒子于氫原子核，觀察到散射曲線顯著地偏離雙曲線，意示位勢不再是庫侖位勢。從實驗數(shù)據(jù)，物理學家得到撞擊參數(shù)或最近離距（closest approach）大約為 3.5 fm{\displaystyle 3.5\ fm\,\!} 。更進一步的研究，在盧瑟福實驗室，發(fā)射阿爾法粒子于氮原子核和氧原子核，得到的結果，使得詹姆斯·查德威克和工作同仁確信，原子核內(nèi)的作用力不同于庫侖斥力。

應用

現(xiàn)今，應用這些年累積的散射原理與技術，盧瑟福背散射譜學能夠偵側(cè)半導體內(nèi)的重金屬雜質(zhì)。實際上，這技術也是第一個在月球使用的實地分析技術。在勘察者任務（surveyor mission）降落于月球表面后，盧瑟福背散射譜學實驗被用來收集地質(zhì)資料。

參閱

湯姆孫散射

散射理論

參考文獻

Rutherford E.The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom. Philosophical Magazine, Series 6. 1911, 21: 669–688. 

參閱

盧瑟福散射

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