近代物理科學發展史中最重要的實驗之一。1897年湯姆遜（J.J.Thomson）測定電子的荷質比，提出了原子模型，他認為原子中的正電荷分布在整個原子空間，即在一個半徑R≈10m區間，電子則嵌在布滿正電荷的球內。電子處在平衡位置上作簡諧振動，從而發出特定頻率的電磁波。但很快盧瑟福（E.Rutherford）等人的實驗否定這一模型。1909年盧瑟福和他的助手蓋革（H.Geiger）及學生馬斯登（E.Marsden）在做α粒子和薄箔散射實驗時觀察到絕大部分α粒子幾乎是直接穿過鉑箔，但偶然有大約1/8000α粒子發生散射角大於90。不能用湯姆遜原子模型來解釋。
基本介紹
- 中文名：盧瑟福背散射實驗
- 類型：近代物理科學最重要的實驗之一
- 時間：1897年
- 提出：原子模型
簡介,實驗原理,α粒子散射實驗,α粒子的散射現象,溝道效應,
簡介
1909年盧瑟福和他的助手蓋革（H.Geiger）及學生馬斯登（E.Marsden）在做α粒子和薄箔散射實驗時觀察到絕大部分α粒子幾乎是直接穿過鉑箔，但偶然有大約1/8000α粒子發生散射角大於90。這一實驗結果當時在英國被公認的湯姆遜原子模型根本無法解釋。在湯姆遜模型中正電荷分布於整個原子，根據對庫侖力的分析，α粒子離球心越近，所受庫侖力越小，而在原子外，原子是中性的，α粒子和原子間幾乎沒有相互作用力。在球面上庫侖力最大，也不可能發生大角度散射。盧瑟福等人經過兩年的分析，於1911年提出原子的核式模型，原子中的正電荷集中在原子中心很小的區域內，而且原子的全部質量也集中在這個區域內。原子核的半徑近似為10，約為原子半徑的千萬分之一。盧瑟福散射實驗確立了原子的核式結構，為現代物理的發展奠定了基石。
實驗原理
現從盧瑟福核式模型出發，先求α粒子散射中的偏轉角公式，再求α粒子散射公式。
1．α粒子散射理論
（1）庫侖散射偏轉角公式
設原子核的質量為M，具有正電荷+Ze，並處於點O，而質量為m，能量為E，電荷為2e的α粒子以速度 入射，在原子核的質量比α粒子的質量大得多的情況下，可以認為前者不會被推動，α粒子則受庫侖力的作用而改變了運動的方向，偏轉 角，如圖3.3-1所示。圖中 是α粒子原來的速度，b是原子核離α粒子原運動徑的延長線的垂直距離，即入射粒子與原子核無作用時的最小直線距離，稱為瞄準距離。
圖3.3-1 α粒子在原子核的庫侖場中路徑的偏轉
當α粒子進入原子核庫侖場時，一部分動能將改變為庫侖勢能。設α粒子最初的的動能和角動量分別為E和L，由能量和動量守恆定律可知：
（1）
（2）
由（1）式和（2）式可以證明α粒子的路線是雙曲線，偏轉角θ與瞄準距離b有如下關係：
（3）
設 ，則
（4）
這就是庫侖散射偏轉角公式。
（2）盧瑟福散射公式
在上述庫侖散射偏轉公式中有一個實驗中無法測量的參數b，因此必須設法尋找一個可測量的量代替參數b的測量。
事實上，某個α粒子與原子散射的瞄準距離可大，可小，但是大量α粒子散射都具有一定的統計規律。由散射公式（4）可見， 與b有對應關係，b大， 就小，如圖3.3-2所示。那些瞄準距離在b到 之間的α粒子，經散射後必定向θ到 之間的角度散出。因此，凡通過圖中所示以b為內半徑，以 為外半徑的那個環形 的α粒子，必定散射到角 到 之間的一個空間圓錐體內。
圖3.3-2 α粒子的散射角與瞄準距離和關係
設靶是一個很薄的箔，厚度為t，面積為s，則圖3.3-1中的 ，一個α粒子被一個靶原子散射到方向範圍內的幾率,也就是α粒子打在環 上的機率,即
(5)
若用立體角 表示,
由於
則有
(6)
為求得實際的散射的α粒子數，以便與實驗進行比較，還必須考慮靶上的原子數和入射的α粒子數。
由於薄箔有許多原子核,每一個原子核對應一個這樣的環,若各個原子核互不遮擋,設單位體積內原子數為 ,則體積 內原子數為 ，α粒子打在這些環上的散射角均為 ，因此一個α粒子打在薄箔上，散射到 方向且在 內的機率為 。
若單位時間有n個α粒子垂直入射到薄箔上，則單位時間內 方向且在 立體角內測得的α粒子為：
（7）
經常使用的是微分散射截面公式，微分散射截面
其物理意義為，單位面積內垂直入射一個粒子（n=1）時，被這個面積內一個靶原子（ ）散射到 角附近單位立體角內的機率。
因此，
（8）
這就是著名的盧瑟福散射公式。
代入各常數值，以E代表入射 粒子的能量，得到公式：
（9）
其中， 的單位為 ，E的單位為MeV。
1．盧瑟福理論的實驗驗證方法
為驗證盧瑟福散射公式成立，即驗證原子核式結構成立，實驗中所用的核心儀器為探測器。
設探測器的靈敏度面對靶所張的立體角為 ，由盧瑟福散射公式可知在某段時間間隔內所觀察到的α粒子總數 應是：
（10）
式中 為該時間 內射到靶上的α粒子總數。由於式中等都是可測的，所以（10）式可和實驗數據進行比較。由該式可見，在上方面內所觀察到的α粒子數與散射靶的核電荷 ，α粒子動能及散射角等因素都有關。
對盧瑟福散射公式（9）或（10），可以從以下幾個方面加以驗證。
（1） 固定散射角，改變金靶的厚度，驗證散射計數率與靶厚度的線性關係 。
（2） 更換α粒子源以改變α粒子能量，驗證散射計數率與α粒子能量的平方反比關係 。
（3） 改變散射角，驗證散射計數率與散射角的關係 。這是盧瑟福散射擊中最突出和最重要的特徵。
（4） 固定散射角，使用厚度相等而材料不同的散射靶，驗證散射計數率與靶材料核電荷數的平方關係 。由於很難找到厚度相同的散射靶，而且需要對原子數密度 進行修正，這一實驗內容的難度較大。
本實驗中，只涉及到第（3）方面的實驗內容，這是對盧瑟福散射理論最有力的驗證。
3．盧瑟福散射實驗裝置
盧瑟福散射實驗裝置包括散射真空室部分、電子學系統部分和步進電機的控制系統部分。實驗裝置的機械結構如圖3.3-3所示。
圖3.3-3 盧瑟福散射實驗裝置的機械結構
（1）散射真空室的結構
散射真空室中主要包括有 放射源、散射樣品台、 粒子探測器、步進電機及轉動機構等。放射源為 或 源， 源主要的 粒子能量為 ， 源主要的 粒子能量為 。
（2）電子學系統結構
為測量 粒子的微分散射截面，由式（9），需測量在不同角度出射 粒子的計數率。所用的 粒子探測器為金矽面壘Si(Au) 探測器， 粒子探測系統還包括電荷靈敏前置放大器、主放大器、計數器、探測器偏置電源、NIM機箱與低壓電源等。
（3）步進電機及其控制系統
在實驗過程中，需在真空條件下測量不同散射角的出射 粒子計數率，這樣就需要經常地變換散射角度。在本實驗裝置中利用步進電機來控制散射角 ，可使實驗過程變得極為方便。不用每測量一個角度的數據便打開真空室轉換角度，只需在真空室外控制步進電機轉動相應的角度即可；此外，由於步進電機具有定位準確的特性，簡單的開環控制即可達到所需精確的控制。
α粒子散射實驗
E.盧瑟福等人所做，又稱盧瑟福α粒子散射實驗。J.J.湯姆孫發現電子揭示了原子具有內部結構後，1903年提出原子的葡萄乾圓麵包模型，認為原子的正電荷和質量聯繫在一起均勻連續分布於原子範圍，電子鑲嵌在其中，可以在其平衡位置作微小振動。
1909年盧瑟福的助手H.蓋革和E.馬斯登在盧瑟福建議下做了α粒子散射實驗，用準直的α射線轟擊厚度為微米的金箔，發現絕大多數的α粒子都照直穿過薄金箔，偏轉很小 ，但有少數α粒子發生角度比湯姆孫模型所預言的大得多的偏轉，大約有1/8000 的α粒子偏轉角大於90°，甚至觀察到偏轉角等於150°的散射，稱大角散射，更無法用湯姆孫模型說明。1911年盧瑟福提出原子的有核模型，與正電荷聯繫的質量集中在中心形成原子核，電子繞著核在核外運動，由此導出α粒子散射公式，說明了α粒子的大角散射。盧瑟福的散射公式後來被蓋革和馬斯登改進了的實驗系統地驗證。根據大角散射的數據可得出原子核的半徑上限為10-14米。此實驗開創了原子結構研究的先河。
α粒子的散射現象
實驗結果表明，絕大多數α粒子穿過金箔後仍沿原來的方向前進，但有少數α粒子發生了較大的偏轉，並有極少數α粒子的偏轉超過90°，有的甚至幾乎達到180°而被反彈回來，這就是α粒子的散射現象。
溝道效應
當入射的粒子沿單晶晶格的軸方向入射的時候，其背散射的產額會大大降低從而產生溝道效應。通過與隨機入射時產生的產額相比就可以知道樣品的結晶品質等信息。
