卢瑟福散射虚拟仿真实验设计与教学实践

卢瑟福散射实验是核物理学发展史中的经典实验之一。基于实验放射源使用安全的考虑,国内外高校多以理论讲授为主,少有实验教学,限制了学生对原子核微观结构及射线与物质的微观相互作用的深入理解。针对以上问题,开发了基于Unity3D的卢瑟福散射虚拟仿真实验,真实再现实验场景,通过蒙特卡罗模拟保证了实验数据的真实可靠性。实验内容涵盖半导体α谱仪的使用、卢瑟福微分散射截面公式的验证、卢瑟福背散射在材料分析中的应用等内容。该虚拟仿真实验的开发为高校近代物理实验、核物理实验、材料表征等专业实验教学提供了参考,丰富了核物理实验教学的内容。

卢瑟福散射及其计算机模拟

对卢瑟福背散射分析技术中出现散射截面偏离的物理现象进行了研究,并用计算机模拟计算方法对卢瑟福散射进行模拟计算。模拟计算结果表明:卢瑟福散射公式的小角发散由靶原子间互不遮掩的条件不能满足造成,在厚度小到没有遮掩且不发生大量多次散射的情况下,模拟计算结果与卢瑟福散射公式计算的结果一致。

低能(e,2e)反应中的卢瑟福散射效应

以入射能量为６４．６ｅＶ、能量均分、共面不对称几何条件下Ｈｅ原子电子碰撞电离过程为例，分析低能（ｅ，２ｅ）反应中的碰撞机制、交换效应和卢瑟福散射效应，揭示了两种新的碰撞机制（ＤＢ碰撞和ＴＢ碰撞）的物理实质。

卢瑟福散射的初等研究

本文月初等数学的方法对α粒子散射问题进行了讨论，清楚地阐释了α粒子运动的特点和轨道参数的意义，并简单地导出了α粒子的偏转角与瞄准距离间的关系以及卢瑟福散射公式。

卢瑟福散射的计算机模拟

计算机模拟是现代科学常用的一种方法。本文介绍了用计算机模拟卢瑟福散射实验的方法,给出了模拟程序和实验结果,提供了用计算机对实验数据进行处理的方法。这是为物理系学生二年级开设选修实验所编,它采用图象动态显示,模拟出卢瑟福散射实验中每个粒子入射及散射的行为情况,用微机统计了实验结果,处理了实验数据,并绘出了各种关系曲线,提供了明了的物理图象,使学生形象地了解这一闻名于世的实验,并学会用计算机模拟物理实验的方法。本文也可使学生学会使用实验数据的有效处理方法:最小二乘法,并了解计算机的有关知识。

含杂质的卢瑟福散射的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗方法数值研究了杂质对α粒子卢瑟福散射的影响。杂质原子根据靶材的纯度以给定的概率随机替换靶材原晶格的原子。研究结果表明,考虑杂质后,出射粒子随散射角分布的曲线中形成了新的峰,峰的位置随杂质元素原子序数的增加向大角度方向移动;杂质的原子序数越低、含量越高,对卢瑟福散射出射粒子角分布的影响越明显;同时,入射粒子能量越低,杂质产生的峰对分布曲线的影响越明显。此外,对典型的C6+、N7+等重离子束的卢瑟福散射的模拟计算结果表明,重离子束对杂质有更好的分辨率。

卢瑟福散射公式的几种推导方法

讨论并比较了卢瑟福散射公式的几种推导方法 ,加深了对卢瑟福散射公式的理解 .

用不变速度推导卢瑟福散射公式

通过横向速度变换得到两种不变速度 。

关于卢瑟福散射公式中小角散射问题

本文主要讨论了卢瑟福散射公式在小角下的不适用问题,提出了α粒于束的展宽问题,并讨论了它和多次散射以及电子屏蔽等因素对实验结果的影响;做出了电子对α粒子散射影响的精确论证;讨论了散射截面在小角极限下重叠的问题。

卢瑟福散射与原子的有核模型

回顾了卢瑟福散射实验，并从原子的有核模型的建立引出一些思考．

用动量矩守恒定律推导卢瑟福散射公式

给出一种用动量矩守恒定律推导卢瑟福散射公式的简易方法。

对卢瑟福散射的研究

汤姆逊模型不足以说明a粒子散射实验中的大角散射,而a粒子的大角散射实验却充分证明了原子的核式结构 (即:卢瑟福模型).现利用正弦函数的值域和从微观的角度来分析卢瑟福模型可能发生大角散射的原因.

确定卢瑟福散射公式的经典描述条件

用量子力学中不确定关系的原理,推出了在核外电子非屏蔽效应的情况下卢瑟福散射公式的经典描述的条件。

基于Geant4的卢瑟福散射计算机模拟

利用Geant4对卢瑟福散射实验进行仿真模拟,改变模拟过程中的相关参数以达到不同实验条件的要求。对模拟过程中收集的数据进行分析得到的结果符合卢瑟福散射关系式。这说明利用计算机模拟卢瑟福散射实验是可行的。本文中的实验对大学物理实验教学的开展有很大的意义。

关于小角度极限下卢瑟福散射公式有效性的讨论

卢瑟福散射公式在大角度散射时其理论值与实验值吻合得很好,但在小角度散射时,却发现卢瑟福散射公式已经失效.一些研究者对此问题给出了不同的回答,其中认为忽略核外电子屏蔽效应是主要的原因.通过相关理论推算、建立模型以及数据验证,给出了一种回答,即卢瑟福散射公式在小角度散射时失效的主要原因是入射粒子单次散射的假设不成立.

卢瑟福散射实验装置的研制

研制了一种卢瑟福散射的实验装置，并介绍了其实验结果．由于采用了步进电机和半导体探测器，该装置具有结构紧凑。

卢瑟福散射公式的几何证明方法

给出两种比较简单的推导卢瑟福散射公式的几何方法:利用圆锥曲线的基本知识并结合参数的物理意义得出卢瑟福公式.

用Runge-Lenz矢量推导卢瑟福散射公式

本文给出用Ｒｕｎｇｅ—Ｌｅｎｚ矢量推导ａ粒子散射公式（卢瑟福散射公式）的方法，显然，从教学法的角度来说是有益的．

卢瑟福散射公式推导

许多书籍中对卢瑟福散射公式的推导是不完整的 ,在本文中从动量和角动守恒出发推导出公式。