第十二章 物质的微观结构参考资料
1．电子的发现
对原子内部结构的认识是20世纪最伟大的发现之一，这是从1897年英国物理学家J ．J ．汤姆孙发现电子开始的。电子的发现是与阴极射线的实验研究联系在一起的，而阴极射线的发现和研究又是从真空管放电现象开始的。早在1858年，德国物理学家普吕克在利用放电管研究气体放电时就发现了阴极射线。普吕克利用真空泵，发现随着玻璃管内空气稀薄到一定程度时，管内放电逐渐消失，这时在阴极对面的玻璃管壁上出现了绿色荧光。当改变管外所加的磁场时，荧光的位置也会发生变化。可见，这种荧光是从阴极所发出的射线撞击玻璃管壁所产生的。
阴极射线究竟是什么呢？在19世纪30年代，许多物理学家投入了研究。当时英国物理学家克鲁克斯等人已经根据阴极射
线在磁场中偏转的事实，提出阴极射
线是带负电的微粒，并根据偏转角度
算出阴极射线粒子的比荷（e m ），要
比氢离子的比荷大1 000倍之多。当
时，赫兹和他的学生勒纳德在阴极射线管中加了一个垂直于阴极射线的电场，企图观察它在电场中的偏转，为此他们认为阴极射线不带电。实际上当时是由于真空度还不高，建立不起静电场。J ．J ．汤姆孙设计了新的阴极射线管（图1），在电场作用下由阴极C 发出的阴极射线，通过A 和B 聚焦，从另一对电极D 和E 间的电场中穿过。右侧管壁上贴有供测量偏转用的标尺。他重复了赫兹的电场偏转实验，开始也没有看见任何偏转。但他分析了不发生偏转的原因可能是电场建立不起来。于是，他利用当时最先进的真空技术获得高真空，终于使阴极射线在电场中发生了稳定的偏转，根据偏转方向可明确判断阴极射线是带负电的粒子。他还在管外加上了一个与电场和射线速度方向都垂直的磁场（此磁场由管外线圈产生），当电场力eE 与磁场的洛伦兹力evB 相等时，可以使射线不发生偏转而打到管壁中央。经推算
可知，阴极射线粒子的比荷e m ≈1011C/kg 。通过进一步的实验，汤姆孙发现用不同的物质材
料或改变管内气体种类，测得射线粒子的比荷e m 保持不变，可见这种粒子是各种材料中的
普适成分。
1898年，汤姆孙和他的学生们继续做直接测量带电粒子电荷量的研究。其中之一就是
用威尔逊云室，测得了电子电荷量是1.1×10-19C ，并证明了电子的质量约是氢离子的11000 。
于是，汤姆孙最终解开了阴极射线之谜。这以后不少科学家较精确地测量了电子的电荷量值，其中有代表性的是美国科学家密立根，在1906年第一次测得电子电荷量e ＝1.34×10-19C ，1913年最后测得e ＝1.59×10-19C 。在当时条件下，这是一个高精度的测量值。近代精确测得的电子电荷量e ＝1.602 173 3（49）×10-19C （括号中的值是测量误差）。
2．气泡室
气泡室是探测高能粒子的仪器。鲍威尔的核乳胶技术和威尔逊的云室在检测低能粒子时很有用，但要探测和测定高能粒子，在技术上就要能在比云室更快和更长的路径上做出记录。
气泡室是一种装有透明液体（如液态氢、氦、丙烷、戊烷等）的耐高压容器。它的工作原理是：在特定温度下突然减压，使工作液体在极短时间内（一般为50 ms）处于过热的亚稳状态，而不会马上沸腾。这时若有高能带电粒子通过，就会发生局部沸腾，并在粒子经过的地方产生大量的气泡，从而显示出粒子的径迹，根据径迹的长短、浓淡等数据，能清楚地分辨出粒子的种裂和性质。气泡室因密度大、循环快，它所搜集到的各种信息大约是云室的1 000倍。
美国物理学家格拉泽（D．A．Glaser，1926－）因发明气泡室获得了1960年度诺贝尔物理学奖。气泡室在高能物理研究中起着重要的作用，人们借助它与高能加速器联用，发现了许多基本粒子以及100多种共振态。气泡室为粒子物理的研究开拓了新的领域，在原子核科学技术史上也是一个创举。
3．14C鉴年法
来自地球外的宇宙线含有大量质子，入射到大气层后，与大气中的原子核发生反应，产生许多次级中子。这些次级中子又与大气中的氮（主要是14N）发生反应而产生放射性同位素14C：
n＋14N→14C＋p（放热），
14C自发地进行β衰变：
14C→14N＋e-。
由于宇宙线中的质子流是恒定的，大气的组成也是恒定的，从而次级中子流也是恒定的，这使得14C的产生率保持恒定。经过一定时间后14C的产生和衰变达到平衡，其数量保持不变。在大气中本来存在着稳定的12C，根据实验测定，大气中14C与12C的数目之比为1.3×10-12，此比例基本上与纬度无关。
植物吸收空气中的二氧化碳（包括14C和12C），动物又以植物为食物，通过食物链和新陈代谢，动植物和大气中的碳经常进行着交换，所以活体内14C和12C的比例与大气中的一样。当生物死亡后，这种交换停止了，生物体内的14C因衰变而减少，却得不到补充，从而生物遗骸中14C和12C的比例下降，下降率与14C的半衰期有关。这样，我们就可以从生物遗骸中14C和12C的比例确定遗骸的年代。这种测年代的方法就叫做“14C鉴年法”。“14C鉴年法”的先驱利比（W．F．Libby，1908－1980）于1960年获得诺贝尔化学奖。
因受到14C半衰期的限制，用此法测定的年代范围，约在100～30 000年之间比较准确。
（摘自新概念物理教程《量子物理》，赵凯华、罗蔚茵著）
4．卢瑟福的α粒子轰击氮核实验
1919年，卢瑟福用镭原子放出的、具有2×104m/s高速的α粒子作为“炮弹”来射击氮原子核时，观察到了一个奇怪的现象。图2是实验装置示意图。密封容器C里放有镭放射源A，从A放出的α粒子射到一张薄银箔F上，适当选取银箔的厚度，使α粒子恰好被它完全吸收，而不会透过。在银箔F的后面放一个涂有硫化锌的荧光屏S，用显微镜M可观察到
荧光屏上是否出现闪光。当容器C不充气时，因
为α粒子已全部被银箔吸收掉，荧光屏上不会有
闪光。当通过阀门T往容器C里通入氮气后，从
荧光屏上却观察到了闪光。如果把氮气抽掉，换
进氧气或二氧化碳的话，荧光屏上的闪光又不见
了。后来，把这种能使荧光屏闪光的粒子引进电
场和磁场中，根据它在电场和磁场中的偏转，测
出了它它的质量和电荷量，确定它就是质子。
新的问题又发生了：这些质子是从什么地方来的呢？为了弄清这个问题，英国物理学家布拉凯特在充氮的云室里做了上述实验。实验目的是想弄明白：如果质子是α粒子直接从氮核中打出的，那么在云室里会看到4条径迹，即入射α粒子径迹、碰撞后的α粒子径迹、质子的径迹、抛出质子后的新核的反冲径迹；如果α粒子打进氮后形成一个复核，这复核立即发生衰变而放出一个质子，那么在云室里只能看到3条径迹，即入射α粒子的径迹、质子的径迹、新核的反冲径迹。布拉凯特拍摄了20 000多张云室照片，终于从40多万条α粒子径迹的照片中，发现有8条产生了分叉，表明了上述第二种设想是正确的：分叉后细而长的是质子的径迹，短而粗的是新核的反冲径迹。
5．查德威克发现中子
中子发现的历史值得回顾。在查德威克发
现中子前，实验中已有迹象表明：在原子核中
可能存在一种中性粒子。例如，1930年德国物
理学家玻特和他的学生利用α粒子轰击铍（Be）
时，发现产生了一种穿透力极强的射线。后来，
居里夫人的女儿I·居里和她的丈夫F·约里奥-
居里，对这种射线进行了研究。他们将这种射线射到石蜡上，测到了有反冲质子从石蜡中放出，他们认为这反冲质子是由某种不带电的射线所轰出来的（图3）。但遗憾的是，约里奥-居里夫妇和玻特等人都没能抛弃传统的旧观念，而断言这种射线正是大家知道的γ射线。太可惜了！其实他们只要根据打出质子的动能仔细地推算一下，假如入射粒子是γ光子的话，那么它的能量将达几十兆电子伏，要比实验测得的这种未知中性粒子的能量大得多，于是就会发现，这种未知的中性粒子不可能是γ射线。后来他们回顾这段研究工作时说，如果他们读过并领会1920年卢瑟福的演讲内容，了解卢瑟福的中子假说，那么就会对实验作出正确的分析和判断。约里奥-居里夫妇的研究跟诺贝尔奖擦肩而过，太可惜了！
当时，查德威克对“核内可能存在中性粒子”早有思想准备，在知道约里奥-居里夫妇实验结果后，马上意识到质子是被某种新的中性粒子所击出的。正如德国生物学家巴斯德所说：“在观察的领域里，机遇只偏爱那些有准备的头脑”。查德威克仔细地研究了这种射线，发现这种射线在磁场中不发生偏转，可见它是中性粒子流。他测出了这种粒子的速度不到光
速的1
10，因此排除了它是γ射线的可能。接着，查德威克用这种射线轰击氢原子和氮原子，打出了一些质子和氮核。他测出了被打出的质子和氮核的速度，并根据弹性碰撞理论推算出这种射线粒子的质量m≈1.15 m H。后来更精确的实验测出，中子的质量非常接近质子的质量，相差极少。（中子质量是1.008 665 u，质子质量是1.007 227 u，式中u是原子质量单位，1 u＝1.660 540 2×10-27kg）
6．核力
在接受了原子核由质子和中子组成的假设后，人们不禁要问：带正电荷的质子怎么能聚集在一起呢？在中子发现前，人们只知道在自然界中有两种相互作用：电磁力和万有引力，两者都是长程力，大小都与距离的平方成反比。其中电磁力比万有引力强得多，单独核子间的万有引力远不能克服静电斥力而将质子聚到原子核这么小的体积中。为此，物理学家认为有第三种相互作用存在，即核子间有核力作用。核力有以下特点：
①核力是一种强相互作用，比库仑力大得多。实验证实，在吸引范围内，核力约是静电斥力的100倍。
②核力是短程力，只有当两核子间距离为原子核的尺度时，才有相互作用。当核子间距离大于0.8fm（1 fm＝10-15m）时表现为吸引力，且随距离增大而减小；到10 fm时，核力几乎消失。而在距离小于0.8 fm时，表现为斥力，可以阻止核子互相融合在一起。目前，对核子间距离r＞0.8 fm时的吸引范围了解得比较清楚；而对r＜0.8 fm时的核力还不十分清楚，因为核子靠得这么近时，要了解它们间的相互作用，必须考虑到核子的内部结构，即要考虑到核子的组成物（夸克）间的相互作用，情况就变得复杂了。
③核力有饱和性。实验指出，所有核子结合成原子核时放出的能量（结合能），近似与总的核子数成正比，每个核子的平均结合能是个常数，跟核子总数的多少无关，这就是核力的饱和性。这种饱和性使原子核呈现不可压缩性，即原子核的密度近似为常数。
7．“基本粒子”不基本
迄今，从实验结果来看，直到10-18m的线度内，电子仍无结构，但核子是有结构的。类似于卢瑟福用α粒子轰击原子一样，科学家们用高能电子（如波长为10-16m、能量为1016eV）去轰击质子，看到了“卢瑟福散射的影子”，即说明质子的电荷也不是均匀分布的，而是由一些“硬心”所组成，电荷集中在这些“硬心”处。跟原子不同的是，质子中“硬心”不止一个。这充分表明了核子有结构。
那么组成物是什么呢？1964年，美国物理学家盖尔曼提出了强子是由夸克组成的夸克模型。几乎同时，中国科学家也提出了强子是由层子组成的层子模型。到1994年为止，科学家们做的一系列实验，证实了夸克模型的正确性。
从19世纪末发现X射线，已经历了一个多世纪。在这一个世纪中，人类在探索和认识微观世界的道路上取得了辉煌的成果。人们对世界的构成有了新的认识，那就是从宇观→宏观→微观。具体地说，是从宇宙→银河系→太阳系→地球→凝聚态物质→分子→原子→原子核→强子→夸克或轻子。这是人们逐步认识到的一条物质结构链。但是，至今在粒子物理中还有不少谜，待人们去探索、去研究。
8．链式反应的可能性和可控性
（1）链式反应的可能性
在一次铀核裂变中可放出2～3个中子，平均可放出2.4个中子，这些中子被称为第一代中子。如果我们能使这些中子至少有一个能继续轰击铀核，使之发生裂变，继而又产生第
二代中子。这样不断继续下去，中子数会不断增加，可能实现链式反应。
值得注意的是，在这2.4个中子里包括了瞬发中子和缓发中子两类。瞬发中子是在很短时间（10-3s）内从裂变后高温碎片中蒸发出来的。可以设想，如果完全靠它来实现链式反应，中子的增殖周期极短，无法人为控制。缓发中子是由处在激发态的裂变产物所放出的，寿命相当长，使我们有足够的时间去控制反应，即通过缓发中子的发射来控制反应速度，使控制链式反应成为可能。
（2）维持链式反应的充分必要条件：中子产生数－中子消耗数≥1。
①中子必须慢化。每次裂变放出的第二代中子的平均能量为2 MeV，属于快中子。快中子可使235U发生裂变，若打到238U上，裂变可能非常小，仅是慢（热）中子引起裂变概率
的1
500。因此，必须把裂变中子慢化到热中子。为此，在反应堆中要用慢化剂。常用的慢化剂是水（H2O）、重水（D2O）和石墨。普通水比重水和石墨的慢化性能差些，但普通水易处理，便于大规模应用。
②用控制棒控制反应速率。反应堆的反应速率控制，主要是靠缓发中子数量的控制。实际设计是使用对慢中子有很强吸收能力的镉制成的控制棒，在反应堆芯中插进或抽出，控制吸收中子的多少，以达到控制反应速率的目的。
9．快中子增殖反应堆
快中子生产堆是由快中子来产生和维持链式反应的反应堆。
目前，利用235U作为燃料的反应堆，虽然发电成本低于煤电，但是由于235U只占天然铀中的0.72％，其中99.28％的238U没有充分利用。由快中子来产生和维持链式反应的反应堆——快中子增殖反应堆，有可能实现核燃料的增殖，迄今已经过技术验证。这种快中子堆是以239Pu（钚）受中子轰击而发生裂变，它所放出的平均中子数要比由中子引起的235U裂变所放出的中子数还多，因而可以实现链式反应。另外，堆中还安放238U作为增殖原料，因238U俘获中子后可生成239Pu。这样有可能使新生的239Pu比消耗的还多，实现核燃料的增殖。这种堆的成功，可使铀资源的利用率提高60～70倍。
10．放射性核废料的处理
21世纪核能必将成为我国能源构成的重要支柱，核电站放射性废料的处理，是核电能否大规模长期应用的关键制约因素之一。我国科学家提出了开展放射性洁净核能系统的研究。因为从反应堆中卸出的核废料中，不仅还存留一定量的235U，以及从238U中转变而成的239Pu，这些可以回收；还有一些原子序数比Pu高的核素及裂变碎块，这些都是高放射性废料。其中有些核素寿命长达几百万年，如不加以妥善处置，泄人生物圈，将危害人类的生存环境。
以前，一般是把这些液体的废料回收后，经多层包装放到远离人群、有稳定地质构造的地方深埋，令其自然衰变。这种被动式的处置方法，实际上不能从根本上解决潜在的放射性
危害。近十年来，正在研究一种“分离-嬗变”技术，即把这种长寿命核素从反应堆的核废料中用化学方法分离出来，然后放人反应堆中，经中子轰击引起核反应，使这类长寿命核素转变为短寿命（如几十年）核素，这个过程称为“嬗变”，从而根本上解决长寿命核废料的处置。这种“分离-嬗变”技术是当前核能研究中的热点。
11．建立物理模型的研究方法
对微观世界的探索，显然不能用肉眼“看”，人类就用建立物理模型的方法去打开这个神秘的世界。物理模型是一种高度抽象的理想客体和形态。用物理模型可以使抽象的假说理论加以形象化，便于想像和思考研究问题。物理学的发展过程，可以说就是一个不断建立物理模型和用新的物理模型代替旧的或不完善的物理模型的过程。例如，对原子结构的认识就是从“葡萄干蛋糕模型”开始的，随后从卢瑟福α粒子散射实验出发，提出了“原子核式结构模型”，丹麦物理学家玻尔又以“定态、跃迁”理论解释了核式结构模型与经典电磁理论之间的矛盾等。
12．科学假说的方法
人类为了探索错综复杂的自然现象，揭示自然发展的规律，创立科学的理论，往往要根据已有的科学原理、科学事实，经过一系列的理论思维过程，预先在自己的头脑中做出一些假定性的解释。这种推测性解释尚未经过实践检验，只是一种假说。如果被实践证明了是正确的，那么它就由假说上升为理论。否则就需要进行修改或提出新的假说，直到达到目的为止。这种物理学研究方法叫做科学假说的方法。
13．核物理学家王淦昌
著名核物理学家王淦昌（1907～1998）（图4），江苏省常熟
县人，我国核科学的奠基人和开拓者之一，中国科学院资深院士。
1929年毕业于清华大学物理系。1930年赴德国柏林大学留学，
1933年获博士学位。在他结束留学生涯之时，他去了英国、法国、
荷兰、意大利等国，向卢瑟福、查德威克、埃利斯等物理学家学
习了最新的物理学理论和实验技巧，于1934年回国。
王淦昌是我国实验原子核物理、宇宙线及基本粒子物理研究
的主要奠基人和开拓者，在国际上享有很高的声誉。在70年的
科研生涯中，他奋力攀登，取得了多项令世界瞩目的科学成就。
1941年，他独具卓见地提出了验证中微子存在的实验方案，并为
实验所证实。1959年，他在苏联杜布纳联合原子核研究所领导一
个研究小组，在世界上首次发现了反西格马负超子，把人类对物质微观世界的认识向前推进了一大步。1964年，他提出了用激光打靶实现核聚变的设想，成为世界激光惯性约束核聚变理论和研究的创始人之一，使我国在这一领域的科研工作走在当时世界各国的前列。1984年，他又领导开辟了氟化氪准分子激光惯性约束核聚变研究的新领域。
王淦昌是我国核武器研制的主要科学技术领导人之一，核武器研究实验工作的开拓者。他参与了我国原子弹、氢弹原理突破及核武器研制的组织领导。从1961年起，他心甘情愿
隐姓埋名17年之久，为中国的“两弹”作出贡献。
王淦昌不仅学术成就卓著，他的学风、科研道德和人品，也是人们学习的好榜样。热爱祖国是王淦昌身上最可贵的品德，也是他一辈子兢兢业业献身于祖国科学、教育事业的动力。作为一名科学家，他的学术思想非常活跃，对物理问题具有深刻的洞察力和正确的预见性，而且治学严谨。他对待科学是真诚的，对待人也是真诚的，是一位不说空话、不沽名钓誉的实干家。他不畏邪恶，正气凛然，坚持按客观规律办事，不说违心话。王淦昌热情关怀年轻人的培养与成长，扶掖后进，不遗余力。
王淦昌是一位把智慧和精力全部奉献给了中国人民的科学家，他以杰出的科学成就和高尚的品德，赢得了我国科学界的尊敬和爱戴。
其他
（一）本章自测题参考答案
1．略
2．A
3．C
4．B
5．（A）-（c），（B）-（d），（C）-（b），（D）-（a）
6．A
7．略
8．D
9．A
10．1，2，3；1，1，1；3，3；1，2
11．20，3.2×10-19C
12．在水库中加进对人体无害的放射性同位素，用探测仪器就可以找到泄露地点，并从测到的放射强度得知洞的大小等情况
13．略
14．可在网上点击钱三强、邓稼先、王淦昌等人名查询
15．如古代原子论、汤姆孙模型、卢瑟福模型、量子力学模型、夸克模型等
16．略
（二）“英语角”译文
利用放射性辐射观赏油画
利用中子轰击油画并观察俘获中子后的原子核所产生的辐射，可用于分析画中隐藏层。作画颜料中的不同元素有不同的半衰期。图（a）是范·戴克的画“圣洛萨利为巴勒莫受灾难祈祷”（注：巴勒莫是意大利港城）。图（b）和（c）中的黑白图片，应用了对放射性元素衰变发射的电子敏感的特殊胶片。图（b）是由中子辐照几个小时后获得的，显示出有锰存在。锰存在于棕土，棕土是一种作为图画底色的赭色颜料（注：空白区是近代修补部分，没有锰）。图（c）则得自4天之后，此时棕土中的辐射已消失，而存在于木炭和骨炭中的磷，是主要的辐射元素。发现这幅图片倒置后是范·戴克用木炭制作的本人素描自画像，该自画
像后被其本人的其他画作所覆盖。
a粒子散射实验 揭示原子有核模型的实验。为E.卢瑟福等人所做，又称卢瑟福a 粒子散射实验。J.J.汤姆孙发现电子揭示了原子具有内部结构后，1903年提出原子的葡萄干圆面包模型，认为原子的正电荷和质量联系在一起均匀连续分布于原子范围，电子镶嵌在其中，可以在其平衡位置作微小振动。 1909年卢瑟福的助手H.盖革和E.马斯登在卢瑟福建议下做了a粒子散射实验，用准直的a 射线轰击厚度为微米的金箔，发现绝大多数的a粒子都照直穿过薄金箔，偏转很小，但有少数a 粒子发生角度比汤姆孙模型所预言的大得多的偏转，大约有1／8000 的a粒子偏转角大于90°，甚至观察到偏转角等于150°的散射，称大角散射，更无法用汤姆孙模型说明。1911年卢瑟福提出原子的有核模型，与正电荷联系的质量集中在中心形成原子核，电子绕着核在核外运动，由此导出a粒子散射公式，说明了 a 粒子的大角散射。卢瑟福的散射公式后来被盖革和马斯登改进了的实验系统地验证。根据大角散射的数据可得出原子核的半径上限为10-14米。此实验开创了原子结构研究的先河。 原子结构模型的演变 原子结构模型是科学家根据自己的认识，对原子结构的形象描摹。一种模型代表了人类对原子结构认识的一个阶段。人类认识原子的历史是漫长的，也是无止境的。下面介绍的几种原子结构模型简明形象地表示出了人类对原子结构认识逐步深化的演变过程。 道尔顿原子模型（1803 年）：原子是组成物质的基本的粒子，它们是坚实的、不可再分的实心球。 汤姆生原子模型（1904 年）：原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子，中和了正电荷，从而形成了中性原子。 卢瑟福原子模型（1911 年）：在原子的中心有一个带正电荷的核，它的质量几乎等于原子的全部质量，电子在它的周围沿着不同的轨道运转，就像行星环绕太阳运转一样。 玻尔原子模型（1913 年）：电子在原子核外空间的一定轨道上绕核做高速的圆周运动。 电子云模型（1927 年——1935 年）：现代物质结构学说。 现在，科学家已能利用电子显微镜和扫描隧道显微镜拍摄表示原子图像的照片。随着现代科学技术的发展，人类对原子的认识过程还会不断深化。 从英国化学家和物理学家道尔顿（J.John Dalton ，1766～1844）（右图）创立原子学说以后，很长时间内人们都认为原子就像一个小得不能再小的玻璃实心球，里面再也没有什么花样了。 从1869年德国科学家希托夫发现阴极射线以后，克鲁克斯、赫兹、勒纳、汤姆逊等一大批人科学家研究了阴极射线，历时二十余年。最终，汤姆逊（Joseph John Thomson）发现了电子的存在(请浏览科技园地“神秘的绿色荧光”)。通常情况下，原子是不带电的，既然从原子中能跑出比它质量小1700倍的带负电电子来，这说明原子内部还有结构，也说明原子里
实验报告 课程名称： 材料科学基础实验 指导老师： 乔旭升 成绩： 实验名称： 光谱分析 实验类型： 同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填） 三、主要仪器设备（必填） 五、实验数据记录和处理 七、讨论、心得 二、实验内容和原理（必填） 四、操作方法和实验步骤 六、实验结果与分析（必填）一、实验目的 通过本实验了解紫光/可见光光度计、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR ）和荧光光谱仪的基本原理、主要用途和实际操作过程。掌握玻璃透光率、薄膜吸收光谱、固体粉末红外光谱和固体发光材料荧光光谱的测试方法。学习分析影响测试结果的主要因素。 二、实验原理 电磁波可与多种物质相互作用。如果这种作用导致能量从电磁波转移至物质，就称为吸收。当光波与某一受体作用时，光子和接受体之间就存在碰撞。光子的能量可被传递给接受体而被吸收，由此产生吸收光谱。通常紫外和可见光的能量接近于某两个电子能级地能量差，故紫外与可见光吸收光谱起源于价电子在电子能级之间的跃迁，又称为电子光谱。 当一束平行单色光照射到非散射的均匀介质时，光的一部分将被介质所反射，一部分被介质吸收，一部分透过介质。如果入射光强度为I0.反射光强度为Ir ，吸收光强度为Ia ，透过光强度为It ，则有I0=Ir+Ia+It 投射光强度与入射光强度之比称为透光率 T=It/I0 当一束具有连续波长的红外光照射某化合物时，其分子要吸收一部分光能转变为分子的震动能量或转动能量。此时若将其透过的光用单色器进行色散，就可得到一带暗条的谱带。以红外光的波长或波数为横坐标，以吸收率或者透过率百分数为纵坐标，把该谱带记录下来，就可得到该化合物的红外吸收光谱图。不同的化合物均有标准特征谱，将实验所得的光谱与标准谱对照，就可进行分子结构的基础研究和化合组成的分析。可由吸收峰的位置和形状来推知被测物的结构，按照特征峰的强度来测定混合物中各组分的含量。 当分子吸收来自光辐射的能量后，其本身就由处于稳定的基态跃迁至不稳定的激发态： M+h ν→。激发态是不稳定的，寿命极短，激发态分子会迅速以向周围散热或再发射电磁波（荧光或磷光）的方式回到基态： →M+荧光（或磷光）。任何能产生荧光（或磷光）的物质都具有两个特征光谱：激发光谱和发射光谱。 激发光谱：荧光（或磷光）为光致发光，因此必须选择合适的激发光波长，这可通过激发
交通大学实验报告 第1页（共7页）课程：_______近代物理实验_______ 实验日期：年月日 专业班号___ ___组别_______ 交报告日期：年月日 姓名__Bigger__学号_ _ 报告退发：（订正、重做） 同组者___ ________ 教师审批签字： 实验名称：α粒子散射 一、实验目的 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结构，熟悉半导 体探测器的使用方法。 2)实验验证瑟福散射的微分散射截面公式。 3)测量α粒子在空气中的射程。 二、实验仪器 粒子源，真空室，探测器与计数系统，真空泵 三、实验原理 1．α粒子散射理论 （1）库仑散射偏转角公式 可以证明α粒子的路线是双曲线，偏转角θ与瞄准距离b有如下关系：
设 E Ze a 0242πε=，则a b ctg 22=θ，这就是库仑散射偏转角公式。 （2）卢瑟福散射公式 在上述库仑散射偏转公式中有一个实验中无法测量的参数b ，因此必须设法寻找一个可测量的量代替参数b 的测量。 经常使用的是微分散射截面公式，微分散射截面公式 0d ()d 1 d d n n N t σθ=?ΩΩ 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（10=t N ）散射到θ角附近单位立体角的概率。最终得到 22 2400d ()d 121d d 44sin 2 n Ze nN t E σθθ πε????== ? ?ΩΩ???? 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α粒子的能量，得到公式： 2 4d 21 1.296d sin 2Z E σθ?? = ?Ω???? ? ?? 其中，d d σΩ的单位为sr mb /，E 的单位为MeV 。 2． 卢瑟福理论的实验验证方法 对卢瑟福散射公式，可以从以下几个方面加以验证。
陈杨PB05210097 物理二班 实验题目:卢瑟福散射实验 实验目的: 1.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； 2.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ν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θ角，如图所示。图中ν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 ?πεr r m r Ze E （1） L b m mr ==? ? ν?2 （2） 由（1）式和（2）式可以证明α粒子的路线是双曲线，偏转角θ与瞄准距离b 有如下关系： 20 2242 Ze Eb ctg πεθ = （3） 设 E Ze a 02 42πε= ，则 a b ctg 22 = θ （4） 这就是库仑散射偏转角公式。 （2）卢瑟福散射公式 在上述库仑散射偏转公式中有一个实验中无法测量的参数b ，因此必须设法寻找一个可测量的量代替参数b 的测量。 事实上，某个α粒子与原子散射的瞄准距离可大，可小，但是大量α粒子散射都具有一定的统计规律。由散射公式（4）可见，θ与b 有对应关系，b 大，θ就小，如图所示。那些瞄准距离在b 到db b +之间的α粒子，经散射后必定向θ到θθd -之间的角度散出。因此，凡通过图中所示以b 为内半径，以db b +为外半径的那个环形ds 的α粒子，必定散射到角θ到θθd -之间的一个空间圆锥体内。
关于“α粒子散射实验”的若干问题 朱建廉 南京市金陵中学（210005） 摘要：就“α粒子散射实验”的教学过程中所碰到的诸如“为什么用金箔做靶”、“卢瑟福获取α粒子散射的精确数据的方法”等问题谈一些看法。 关键词：α粒子散射；实验现象；闪烁法。 笔者在进行“α粒子散射实验”的教学过程中，常会碰到学生提出的诸如：“为什么要用金箔做靶”，“为什么要在真空环境中实验”，“为什么从α粒子的散射现象中就可以概括出原子的核式结构”，“卢瑟福在α粒子散射实验中是怎样获得α粒子散射的精确数据的”等问题。这些问题归纳起来实际上是两类：一类是涉及到“α粒子散射实验”的实验目的、实验原理及实验方法设计的基本问题，相比较而言，这类问题比较容易回答；而另一类则是涉及到具体的实验操作细节中的一些技术问题，回答这类问题要困难得多，带着这些问题笔者查阅了有关资料，归纳写出本文。 1、α粒子散射实验的实验目的、方法设计及设计思想 1.1实验目的 通过对α粒子散射情况的观察与分析，获取关于原子结构方面的信息。 1.2实验方法设计 在真空环境中，使放射性元素钋放射出的α粒子轰击金箔，然后通过显微镜观察用荧光屏（硫化锌屏）接收到的α粒子，借助于对轰击金箔前后的α粒子的运动情况的分析与对比，进而了解金原子的结构情况。 1.3实验方法的设计原理和设计思想 与某一金原子发生作用前后的α粒子运动情况的差异，必然带有金原子结构特征的烙印，而这正是α粒子散射实验的设计思想。卢瑟福所以选择金原子作靶，是利用金的良好的延展特性，把金箔做得尽量薄，以使每一个α粒子在穿过金箔的过程中与尽可能少的金原子发生作用；至于实验要求在真空环境中进行，显然是为了避免气体分子对α粒子的运动产生影响。 2、α粒子散射实验的实验现象及对实验现象的解释 2.1实验现象 α粒子散射实验的现象是沿不同散射角度的方向上均观察到散射的α粒子，但数量不
西安交通大学实验报告 第1页（共7页） 课程：_______近代物理实验_______ 实 验 日 期 ： 年 月 日 专业班号___ ___组别_______ 交报告日期： 年 月 日 姓 名__Bigger__学号_ _ 报 告 退 发 ： （订正、重做） 同 组 者___ ________ 教师审批签字： 实验名称：α粒子散射 一、 实验目的 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结构，熟悉半 导体探测器的使用方法。 2) 实验验证瑟福散射的微分散射截面公式。 3) 测量α粒子在空气中的射程。 二、 实验仪器 粒子源，真空室，探测器与计数系统，真空泵 三、 实验原理 1． α粒子散射理论 （1）库仑散射偏转角公式 可以证明α粒子的路线是双曲线，偏转角θ与瞄准距离b 有如下关系： 设E Ze a 02 42πε=，则a b ctg 22=θ，这就是库仑散射偏转角公式。 （2）卢瑟福散射公式 在上述库仑散射偏转公式中有一个实验中无法测量的参数b ，因此必须设法寻找一个可测量的量代替参数b 的测量。
经常使用的是微分散射截面公式，微分散射截面公式 0d ()d 1d d n n N t σθ=?ΩΩ 其物理意义为，单位面积内垂直入射一个粒子（n =1）时，被这个面积内一个靶原子（10=t N ）散射到θ角附近单位立体角内的概率。最终得到 22 24 00d ()d 121d d 44sin 2 n Ze nN t E σθθπε????== ? ?ΩΩ???? 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α粒子的能量，得到公式： 24d 211.296d sin 2Z E σθ??= ?Ω???? ??? 其中，d d σΩ的单位为sr mb /，E 的单位为MeV 。 2． 卢瑟福理论的实验验证方法 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，改变金靶的厚度，验证散射计数率与靶厚度的线性关系 t N ∝。 （2） 更换α粒子源以改变α粒子能量，验证散射计数率与α粒子能量的平方反比关系21E N ∝。 （3） 改变散射角，验证2 sin 1 4θ∝N 。这是卢瑟福散射击中最突出和最重要 的特征。 （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
《辐射防护实验报告》 专业：xxx 姓名：xxx 学号：2010xxxx 实验一：γ射线的辐射防护 一、实验目的 1、掌握X-γ剂量率仪的使用方法； 2、了解环境中的γ照射水平； 3、通过不同时间和距离的测量，获得γ外照射防护的直观认识，加强理论与实际的联系。 二、实验原理 闪烁探测器是利用核辐射与某些透明物质相互作用，使其电离和激发而发射荧光的原理来探测核辐射的。γ射线入射到闪烁体内，产生次级电子，使闪烁体内原子电离、激发后产生荧光。这些光信号被传输到光电倍增管的光阴极，经光阴极的光电转换和倍增极的电子倍增作用而转换成电信号，它的幅度正比于该次级电子能量，再由所连接的电子学设备接收、放大、分析和记录。 三、实验内容 1、测量实验室γ照射本底环境； 2、测量一条环境γ照射剂量率剖面； 3、测量岩石的γ照射剂量率； 4、加放射源，测量并计算不同测量时间情况下的剂量； 5、加放射源，测量不同距离情况下的剂量率。 四、实验设备 1、Ra-226源一个； 2、X-γ剂量率仪一台； 3、岩石标本。 五、实验步骤
布置实验台，注意：严格按照实验步骤进行，首先布置好准直器、探测仪，最后放置放射源，养成良好的操作习惯！！ 实验步骤如下： 1、调节准直器以及探测仪器的相对位置； 2、设置好仪器的测量时间为30秒，记录仪器的本底剂量率Nd （连测3次，取平均值）； 3、在探测仪器对面布置好放射源，使得射束中轴线和准直器中轴线重合，源探距离为1米，如上图所示，测定并记录仪器的剂量率N01（连测3次，取平均值）； 4、调整仪器的测量时间为60秒，测定并记录仪器的剂量率N02（连测3次，取平均值）； 5、调整仪器的测量时间为90秒，测定并记录仪器的剂量率N0（连测3次，取平均值）； 6、暂时屏蔽放射源，源探距离为米，测定并记录仪器的剂量率N1（连测3次，取平均值）； 7、暂时屏蔽放射源，源探距离为2米，测定并记录仪器的剂量率N2（连测3次，取平均值）； 8、在校园里测量一条环境γ照射剂量率剖面，记录每个测点的仪器的剂量率（连测3次，取平均值）； 9、在博物馆前的岩石标本处测量不同岩性岩石的γ照射剂量率，记录每个测量的剂量率（连测3次，取平均值）； 10、数据处理。 数据处理如下： 1）本底剂量率为： 2）在距离放射源、1、2米处不同时间计数率为：
α粒子散射实验 实验报告 一．实验目的 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结构，熟悉半 导体探测器的使用方法； 2.实验验证卢瑟福散射的微分散射截面公式 二．实验原理 1.瞄准距离与散射角的关系 视α粒子和电子均为点电荷，假设两者间作用力只有静电斥力， 如图1，散射角θ，瞄准距离b ， α粒子质量为m ，入射速度为0v ， 则： （1） （2） 2.卢瑟福微分散射截面公式 设有截面为S 的α粒子束射到厚度为t 的靶上，靶的原子数密度为n ， 则α粒子散射到θ 方向单位立体角内每个原子的有效散射截面为： （3） 设实验中探测器的灵敏面积对靶所张的立体角为Δ ,在某段时间内射 2co t 2b D θ= Ω
到靶上的粒子总数为T，则观察到的粒子数为： （4）三．实验仪器 粒子源真空室探测器与计数系统真空泵 四．实验数据及处理 1．原始数据及处理 表1 探测到的粒子数count与散射角的关系 Angle/°Angle /rad count1count2count3count4count5N=count average count median -10-0.175 668 687 634 683 719 678 683 -9-0.157 806 790 738 824 776 787 790 -8-0.140 875 919 924 923 904 909 919 -7-0.122 1020 1002 960 1032 999 1003 1002 -6-0.105 1069 1092 1100 1075 1058 1079 1075 -5-0.087 1149 1188 1201 1115 1149 1160 1149 -4-0.070 1173 1148 1164 1196 1171 1170 1171 -3-0.052 1190 1225 1225 1236 1237 1223 1225 -2-0.035 1222 1256 1288 1283 1225 1255 1256 -1-0.017 1295 1284 1292 1296 1278 1289 1292 00.000 1310 1290 1281 1264 1355 1300 1290 10.017 1275 1264 1299 1231 1253 1264 1264 20.035 1283 1188 1220 1274 1250 1243 1250 30.052 1248 1236 1211 1201 1257 1231 1236 40.070 1107 1134 1083 1116 1132 1114 1116 50.087 1184 1103 1150 1105 1132 1135 1132 60.105 939 919 932 894 934 924 932 70.122 811 882 757 853 837 828 837 80.140 723 697 729 715 715 716 715 90.157 612 622 627 615 610 617 615 100.175 514 501 541 517 501 515 514 110.192 382 381 412 381 405 392 382 120.209 277 279 310 335 294 299 294 130.227 250 225 227 228 163 219 227 140.244 164 176 160 168 179 169 168 150.262 148 108 127 116 135 127 127 160.279 85 82 65 72 78 76 78 170.297 40 43 33 34 45 39 40 180.314 40 43 33 34 45 39 40 190.332 31 29 28 29 22 28 29 200.349 20 25 20 14 24 21 20
实验一 ls230/vsm+激光粒度仪测定果汁饮料粒度 1实验目的 1.1了解激光粒度仪的基本操作； 1.2了解激光粒度仪测定的基本原理。 2实验原理 激光粒度分析仪的原理是基于激光的散射或衍射，颗粒的大小可直接通过散射角的大小 表现出来，小颗粒对激光的散射角大，大颗粒对激光的散射角小，通过对颗粒角向散射光强 的测量（不同颗粒散射的叠加），再运用矩阵反演分解角向散射光强即可获得样品的粒度分布。 激光粒度仪原理图如图1所示，来自固体激光器的一束窄光束经扩充系统扩充后，平行 地照射在样品池中的被测颗粒群上，由颗粒群产生的衍射光或散射光经会聚透镜会聚后，利 用光电探测器进行信号的光电转换，并通过信号放大、a/d变换、数据采集送到计算机中， 通过预先编制的优化程序，即可快速求出颗粒群的尺寸分布。 3实验试剂与仪器 3.1实验样品：果汁饮料。 3.2实验仪器：ls230/vsm+激光粒度仪。 4实验步骤 4.1按照粒度仪、计算机、打印机的顺序将电源打开，并使样品台里充满蒸馏水，开泵， 仪器预热10分钟。 4.2进入ls230的操作程序，建立连接，再进行相应的参数设置： 启动run-run cycle（运行信息） （1）选择measure offset(测量补偿)，alignment（光路校正），measure background（测量空白），loading（加样浓度），start 1 run（开始测量 （2）输入样品的基本信息，并将分析时间设为60秒，点击start（开始）。 如需要测量小于0.4μm以下的颗粒，选择include pids，并将分析时 间改为90秒后，点击start（开始） （3）泵速的设定根据样品的大小来定，一般设在50，颗粒越大，泵速越高， 反之亦然。 4.3在测量补偿，光路校正，测量空白的工作通过后，根据软件的提示，加入样品控制 好浓度，obscuration应稳定在8-12%：假如选择了pids，则要把pids稳定在40-50%，待软 件出现ok提示后，点击done（完成）。 4.4分析结束后，排液，并加水清洗样品台，准备下一次分析。 4.5作平行试验，保存好结果，根据要求打印报告。 4.6退出程序，关电源，样品台里加满水，防止残余颗粒附着在镜片上。 5实验结果与讨论 5.1实验结果 由实验结果显示： 平均粒径：141.7μm 6思考题 6.1 ls230/vsm+激光粒度仪的技术特点 ls230/vsm+激光粒度仪的特点是测量的动态范围宽、测量速度快、操作方便，尤其适合 测量粒度分布范围宽的粉体和液体雾滴。 （1）双镜头专利技术：避免了更换镜头的麻烦，测量宽分布颗粒时，大、小颗粒的信息 在一次分析中都可得到，大大提高了分析精度。 （2）pids（偏振光强度差）专利技术：用三种方法改进了对小颗粒的测定：多波长（450nm，
α粒子散射实验带来的科学与技术的进步 卢瑟福的α粒子散射实验可以说的上近代科学发展史上最重要的物理实验之一，他不仅为建立原子的核式结构模型奠定了实验基础，而且还开创了一种重要的研究微观世界的科学方法——用高速粒子“轰击”。这一实验在科学发展史上具有里程碑式的意义，可以说它打开了微观世界的大门，同时也带来了研究微观世界的“钥匙”，直至今日，依赖于粒子加速器的高能物理学依然是最为尖端的学科，量子力学和相对论的研究都离不开这些长长的加速管道。 起初，卢瑟福设计将原子用高速粒子砸开之一大胆的想法其实是想验证1897年汤姆逊提出的原子“枣糕模型”。他用高速飞行、能量足够高的α粒子作为“炮弹”去“轰击”原子，根据α粒子飞行路径的改变，便可推算出原子的内部构造情况。实验所用装置如图所示,作为“炮弹”的α粒子由放射源R提供，金箔F则作为被轰击的靶。为了便于进行定量的讨论，在R的前方开一个狭缝，使得射到F上的α粒子束方向单一。尽管α粒子与靶原子的碰撞细节无法直接看到，但是它们的碰撞结果却会在荧光屏S上反映出来——打到S上的α粒子会使荧光屏发亮，这样的闪光可以用放大镜M观察。放大镜M可以绕着碰撞中心转动，这样就能够读出不同方向上（各种不同的θ角）被散射α粒子的个数。此外，为避免空气分子对α粒子的影响，整个实验都安排在真空中进行（放大镜M除外）。 这项实验开始进行的并不顺利，大多数α粒子轻易地穿透了金箔，直到1910年底，卢瑟福的学生盖革和马斯顿竟然观察到有些α粒子既然被金箔反弹回来了。用卢瑟福的话说这简直相当于一枚重磅炮弹（15英寸）去轰击一张薄纸，炮弹竟然被纸片弹了回去。后来通过进一步观察表明绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生可较大的偏，并且极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹。 卢瑟福根据实验现象经过分析后认为，汤姆逊的“枣糕模型”是错误的，因为电子的质量不到α粒子的1/7000，α粒子碰到它是不会发生运动方向的变化，而“枣糕模型”中认为原子内部正电荷均匀分布，原子穿过时收到的电荷斥力相互抵消，也不会发生偏转。卢瑟福认为少数α粒子发生了大角度偏转甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量、电量均比自身大很多的粒子的作用；而绝大多数电子穿过金箔时相当于穿过几千个金原子，但它的运动方向却没有改变，表明原子中绝大多数部分是很空的。由此，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构模型，认为原子的中心有一个很小的核，原子的全部正电荷和全部的质量几乎都集中在了原子核里，大夫点的电子在核外空间里绕着核旋转。 今天的我们回头看100年前这个精巧有趣的实验可以发现很多东西，比如卢瑟福设计实验的大胆创新与精巧构思，比如科学研究的执着认真，比如对于反常实验结果的思索等等，而我在这里想要说的是科学与技术之间的关系。 我们常常把科学与技术放在一起说，高校里院系一般都是××科学与技术学院，“科学”与“技术”作为两个不同的范畴，是对“科学是什么”的思考过程中不可绕开的部分。瓦托夫斯基如此定义科学：科学是一种用普遍的定律和原理建构的有组织的或系统化的知识体系。进一步来说，人们能够彻底理解自身所看到的自然现象的运作、根源、本质，并进一步运用获得的知识作为指导思想，对未来进行预测。因此严格意义上的“科学”进步终极目标是在改变世界的同时改变人们的世界观。与之相对应的，“技术”是解决现实世界中具体问题的能力和方法。科学与技术无疑关系紧密，科学的发展很大程度上会促进新技术的产生，而新的技术则也会促进科学的发展。但从本质上来说，他们又是矛盾的，科学是未知，是对未知世界的探索，而技术是已知，是对现有知识的应用。科学天然带有一种“破”，许许多多的科学发现往往会颠覆人们的对世界的认知，卢瑟福的发现推翻了汤姆逊的学说，而相对
离子注入简介 我们设想在真空中有一束离子束射向一块固体材料时会发生哪些现象呢？离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入。 离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。作为一种材料表面工程技术，离子注入技术具有以下一些其它常规表面处理技术难以达到的独特优点：(1)它是一种纯净的无公害的表面处理技术；(2)无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；(3)离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥落问题；(4)离子注入后无需再进行机械加工和热处理。 离子注入机是由于半导体材料的掺杂需要而于上世纪60年代问世。虽然有一些不同的类型，但它们一般都由以下几个主要部分组成：(1)离子源，用于产生和引出某种元素的离子束，这是离子注入机的源头；(2)加速器，对离子源引出的离子束进行加速，使其达到所需的能量；(3)离子束的质量分析(离子种类的选择)；(4)离子束的约束与控制； (5)靶室；(6)真空系统。 非半导体材料离子注入表面改性研究对离子注入机提出了一些新的要求。大家知道，半导体材料的离子注入所需的剂量(即单位面积上打进去了多少离子，单位是：离子／平方厘米)比较低，而所要求的纯度很高。非半导体材料离子注入表面改性研究所需的剂量很高(比半导体材料离子注入高1000倍以上)，而纯度不要求像半导体那么高。 在非半导体材料离子注入表面改性研究的初始阶段，主要是沿用半导体离子注入机所产生的氮离子束来进行。这主要是因为氮等气体离子在适用于半导体离子注入的设备上容易获得比较高的离子束流。氮离子注入在金属、硬质合金、陶瓷和高分子聚合物等的表面改性的研究与应用中取得了引人注目的成功。因此这个阶段被称为氮离子注入阶段。 金属离子注入是新一代的材料表面处理高技术。它利用具有很高能量的某种金属元素的离子束打入固体材料所引起的一系列物理的与化学的变化，来改善固体材料的某些表面性能。研究结果表明，金属离子注入在非半导体材料离子注入表面改性研究与应用
粒度的测定实验报告 1.实验名称：利用LS230/VSM+激光粒度仪对果珍果汁进行粒度分析 2.实验目的：（1）了解粒度仪的原理及使用方法； （2）对果珍果汁的粒径进行测定分析。 3.实验步骤：（1）前期准备：去离子水，果汁，滴管； （2）利用粒度仪对果汁的粒度进行测定； （3）对数据进行分析处理。 4.粒度仪原理：通过动态光散射进行粒度测量 4.1粒子的布朗运动 悬浮在液体中的粒子由于同溶剂分子的随机碰撞而产生布朗运动。这种运动会造成粒子在整个媒介中扩散。根据斯托克斯爱因斯坦方程，扩散系数D与粒度成反比： D：扩散系数；k B：波耳兹曼常数；T：绝对温度；η0：粘度；d：流体力学直径 此方程表明，对于较大的粒子，D会相对较小，因而粒子会缓慢移动；而对于较小粒子，D会较大，并且粒子将更快速地移动。因此，通过观察布朗运动以及测定液体媒介中粒子的扩散系数，便可以测定粒子的粒径。 4.2来自布朗运动中粒子的光散射 在动态光散射中，测量布朗运动中粒子所散射光线随时间的波动。图2.1.2通过动态光散射测定粒度通过示意图表明如何通过光散射法来测定粒度及其粒度分布。当激光向粒子照射时，激光光线会向所有方向散射。所观察到的散射光线来源于在一个散射量内的一组散射元素，散射量通过散射角度和检测孔来确定。在任何时刻所观察到的散射光的强度将是每个元素所散射光的干涉的结果，因此将取决于元素的相对位置。如果微粒在运动，则微粒的相对位置将随时间变化，并且因此将会观察到散射强度在时间上的波动。 由于布朗运动中的粒子是随机移动的，所以散射强度的波动也是随机的。对于快速运动的较小粒子，波动将会快速地发生；而对于较慢运动的较大粒子，波动会慢一些。使用自相关函数对散射光的波动进行分析。
氮离子束注入时长对冬小麦M2代生物学性状的影响 摘要:为了探索氮离子束注入对冬小麦辐照合适的时长,用30 keV,4×1016 N+/cm2的N+束对冬小麦西城1号分别进行了5 min和10 min的辐照处理,对两种处理的M2代以及对照的出苗率?分蘖率?小穗数?穗粒数?千粒重?株高进行了分析?结果表明,5 min的N+辐照处理虽然对西城1号的部分生物学性状有不利影响,但其能够降低西城1号M2代株高,可以考虑将其作为今后冬小麦品种矮化?改良的方法之一? 关键词:冬小麦;氮离子束;时长;生物学效应 Effect of Irradiation Time of Nitrogen Ion Beam on Biological Features of M2 Winter Wheat Abstract: In order to investigate the appropriate length of time for nitrogen ion beam irradiation on winter wheat, winter wheat variety Xicheng 1 was treated by 5 min or 10 min of irradiation from N+ beams of 30 keV, 4×1016 N+/cm2. Analysis was carried out on the rate of emergence, tillering, panicles per plant, FGPP, KGW and plant height of M2 winter wheat and control. Results showed that the N+ irradiation for 5 min could reduce plant height, although there were some adverse effects on biological traits. Therefore, it could be used as a method for dwarf breeding of winter wheat. Key words: winter wheat; nitrogen ion beam; length of time; biological effect 1934年,Tollernear利用α射线育成了第一个作物突变品种即烟草Chlorina F1, 并得到推广应用?随着人们对诱变育种机理的不断认识,到20世纪60年代诱变育种在世界范围内有了较大的发展?据不完全统计[1,2],目前世界上已有61个国家在164种植物上诱变育成2 277个品种(其中中国630个),取得了显著的经济效益和社会效益,但传统的诱变育种方法也存在着诸如诱变损伤严重?诱变效率不高等缺点[3]?为了克服这些缺点,育种者进行了新的诱变因素的发掘,氮离子束注入技术就是近年来发展起来的一种诱发突变的新技术? 关于低能氮离子束注入技术在小麦育种中运用的报道较多?王卫东等[4]采用能量为30 keV的氮离子束不同剂量注入小麦种子,研究氮离子束注入后形态生理变化,结果表明,氮离子束注入后对麦苗生长有明显的抑制作用;刘志芳等[5]用8 meV/μ的16O和12C氮离子束分别辐照冬小麦种子,M1代幼苗苗高显著下降,且第六叶的主叶脉处均出现叶绿素条状缺失现象;廖平安等[6]用不同剂量的离子束分别辐照冬小麦种子,发现氮离子束对种子的出苗?分蘖?成穗影响较大?周小云等[7]用不同剂量的低能氮离子束辐照两个春小麦品种,得出氮离子束注入对两个春小麦品种的出苗?分蘖?成穗数?穗粒数?千粒重都有一定的作用?本文通过对四川
半导体工艺 --离子注入 离子注入法掺杂相比扩散法掺杂来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。目前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。 1.离子注入原理 离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入wafer内部达到掺杂的目的。 离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量， 能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。离子通过与硅原子 的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒 子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。 杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。 2.离子射程 离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，从表面到停止所经过的路程。入射离子能量越高，射程就会越长。 投影射程是离子注入wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差。 3.离子注入剂量 注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过
下面的公式计算得出 ，式中，Q 是剂量；I 是束流， 单位是安培；t 是注入时间，单位是秒；e 是电子电荷，1.6×10-19C ；n 是电荷数量；A 是注入面积，单位是 。 4.离子注入设备 离子注入机体积庞大，结构非常复杂。根据它所能提供 的离子束流大小和能量可分为高电流和中电流离子注入机以 及高能量、中能量和低能量离子注入机。 离子注入机的主要部件有：离子源、质量分析器、加速器、聚焦器、扫描系统以及工艺室等。 （1）离子源 离子源的任务是提供所需的杂质离子。在合适的气压 下，使含有杂质的气体受到电子碰撞而电离，最常用的杂质 源有 和 等， （2）离子束吸取电极 吸取电极将离子源产生的离子收集起来形成离子束。电 极由抑制电极和接地电极构成，电极上加了很高的电压，离 子受到弧光反应室侧壁的排斥作用和抑制电极的吸引作用，被分离出来形成离子束向吸取电极运动。 3）质量分析器 反应气体中可能会夹杂少量其它气体，这样，从离子源 吸取的离子中除了需要杂质离子外，还会有其它离子。因 此，需对从离子源出来的离子进行筛选，质量分析器就是来 enA It Q 62H B 3PH
单缝衍射光强分布研究 教学目的 1、观察单缝衍射现象，加深对衍射理论的理解； 2、学会使用衍射光强实验系统，并能用其测定单缝衍射的光强分 布； 3、形成实事求是的科学态度和严谨、细致的工作作风。 重点： sgs-3型衍射光强实验系统的调整和使用 难点：1）激光光线与光电仪接收管共轴调节；2）光传感器增益度 的正确调整 讲授、讨论、实验演示相结合 3学时 一、实验简介 光的衍射现象是光的波动性的一种表现。衍射现象的存在，深刻说 明了光子的运动 是受测不准关系制约的。因此研究光的衍射，不仅有 助于加深对光的本性的理解，也是 近代光学技术（如光谱分析，晶体 分析，全息分析，光学信息处理等）的实验基础。 衍射导致光强在空间的重新分布，利用光电传感元件探测光强的相 对变化，是近 代技术中常用的光强测量方法之一。 二、实验目的 1、学会sgs-3型衍射光强实验系统的调整和使用方法； 2、观察单缝衍射现象，研究其光强分布，加深对衍射理论的理 解； 3、学会用光电元件测量单缝衍射的相对光强分布，掌握其分布规 律； 4、学会用衍射法测量狭缝的宽度。 三、实验原理 1、单缝衍射的光强分布 当光在传播过程中经过障碍物时，如不透明物体的边缘、小孔、细 线、狭缝等， 一部分光会传播到几何阴影中去，产生衍射现象。如果 障碍物的尺寸与波长相近，那么 这样的衍射现象就比较容易观察到。 单缝衍射[single-slit diffraction]有两种：一种是菲涅耳衍射 [fresnel diffraction]，单 缝距离光源和接收屏[receiving screen] 均为有限远[near field]，或者说入射波和衍射波都 是球面波；另一 种是夫琅禾费衍射[fraunhofer diffraction]，单缝距离光源和接收屏 均为 无限远[far field]或相当于无限远，即入射波和衍射波都可看作 是平面波。 在用散射角[scattering angle]极小的激 光器(<0.002rad)产 生激光束[laser beam]， 通过一条很细的狭缝（0.1～0.3mm宽），在狭缝后大于0.5m的地方 放上观察屏，禾费衍射条纹，如图1所示。 当激光照射在单缝上时，根据惠更斯—菲涅耳原理[huygens- fresnel principle]，单 缝上每一点都可看成是向各个方向发射球面 子波的新波源。由于子波迭加的结果，在屏 上可以得到一组平行于单 缝的明暗相间的条纹。
XRD 实验报告 一、实验名称 X 射线衍射（XRD ）实验 二、实验目的 1. 了解X 射线衍射的工作原理和仪器结构； 2. 掌握X 射线衍射仪的操作步骤和注意事项; 三、实验原理 X 射线是一种波长很短（约20?0.06?）的电磁波，能穿透一定厚度的物质， 并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用电子束轰击金属“靶”产 生的X 射线中，包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的 X 射线，称为特征 （或标识）X 射线。 X 射线在晶体中产生的衍射现象，是由于晶体中各个原子中电子对 X 射线 产生相干散射和相互干涉叠加或抵消而得到的结果。 晶体可被用作X 光的光栅， 这些很大数目的粒子（原子、离子或分子）所产生的相干散射将会发生光的干涉 作用，从而使得散射的X 射线的强度增强或减弱。由于大量粒子散射波的叠加， 互相干涉而产生最大强度的光束称为 X 射线的衍射线。 当一束单色X 射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组 成，这些规则排列的原子间距离与入射 X 射线波长有相同数量级，故由不同原 子散射的X 射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强 间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。这就是 晶体对X 射线衍射示意图 衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格方程表示： 2ds in n 其中d 是晶体的晶面间距，0为X 射线的衍射角，入为X 射线的波长，n 为 衍射级数。应用已知波长的X 射线来测量0角，从而计算出晶面间距 d,这是用 于X 射线结构分析；另一个是应用已知 d 的晶体来测量0角，从而计算出特征 X 射线的波长，进而可在已有资料查出试样中所含的元素。 X 射线衍射，衍射线在空 X 射线衍射的基本原理。
实 课程名称： 材料科学基础实验 指导老师： 乔旭升 成绩： 实验名称： 光谱分析 实验类型： 同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填） 三、主要仪器设备（必填） 五、实验数据记录和处理 七、讨论、心得 二、实验内容和原理（必填） 四、操作方法和实验步骤 六、实验结果与分析（必填）一、实验目的 通过本实验了解紫光/可见光光度计、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR ）和荧光光谱仪的基本原理、主要用途和实际操作过程。掌握玻璃透光率、薄膜吸收光谱、固体粉末红外光谱和固体发光材料荧光光谱的测试方法。学习分析影响测试结果的主要因素。 二、实验原理 电磁波可与多种物质相互作用。如果这种作用导致能量从电磁波转移至物质，就称为吸收。当光波与某一受体作用时，光子和接受体之间就存在碰撞。光子的能量可被传递给接受体而被吸收，由此产生吸收光谱。通常紫外和可见光的能量接近于某两个电子能级地能量差，故紫外与可见光吸收光谱起源于价电子在电子能级之间的跃迁，又称为电子光谱。 当一束平行单色光照射到非散射的均匀介质时，光的一部分将被介质所反射，一部分被介质吸收，一部分透过介质。如果入射光强度为I0.反射光强度为Ir ，吸收光强度为Ia ，透过光强度为It ，则有I0=Ir+Ia+It 投射光强度与入射光强度之比称为透光率 T=It/I0 当一束具有连续波长的红外光照射某化合物时，其分子要吸收一部分光能转变为分子的震动能量或转动能量。此时若将其透过的光用单色器进行色散，就可得到一带暗条的谱带。以红外光的波长或波数为横坐标，以吸收率或者透过率百分数为纵坐标，把该谱带记录下来，就可得到该化合物的红外吸收光谱图。不同的化合物均有标准特征谱，将实验所得的光谱与标准谱对照，就可进行分子结构的基础研究和化合组成的分析。可由吸收峰的位置和形状来推知被测物的结构，按照特征峰的强度来测定混合物中各组分的含量。 当分子吸收来自光辐射的能量后，其本身就由处于稳定的基态跃迁至不稳定的激发态： M+h ν→。激发态是不稳定的，寿命极短，激发态分子会迅速以向周围散热或再发射电磁 波（荧光或磷光）的方式回到基态： →M+荧光（或磷光）。任何能产生荧光（或磷光）的物质都具有两个特征光谱：激发光谱和发射光谱。 激发光谱：荧光（或磷光）为光致发光，因此必须选择合适的激发光波长，这可通过激发