α粒子散射模拟实验教具的制作

周佳

摘 要：α粒子散射实验为卢瑟福原子核式结构模型的提出提供了基础.由于本实验的要求很高，无法在高中课堂中给学生演示，通过自制教具，利用模拟实验演示实验过程，帮助学生理解该实验.

关键词：原子结构;模拟实验;教具制作

文章编号：1008-4134（2020）11-0060中图分类号：G633.7文献标识码：B

α粒子散射实验是1909年卢瑟福指导其学生盖革和马斯登进行的实验，实验中利用α粒子轰击金箔，发现少数α粒子发生了大角度偏转，该实验为卢瑟福原子核式结构模型的提出提供了基础.由于本实验的要求很高，无法在高中课堂为学生演示，但如果能利用模拟实验来演示类比整个实验过程，有助于学生对该实验的理解.

1 教具的设计

利用PVC管材料搭建一个长方形框架，周围包裹上金色电镀纸模拟“金箔”.在框架内固定若干铜片，模拟金箔中的“金原子”，铜片分别置于不同的平面，从而类比金箔内多层原子的模型（如图1）.将能够连续发射子弹的玩具枪视为放射源，塑料子弹当作α粒子（如图2），当玩具枪朝模拟金箔射击时就可以觀察反弹与穿过的子弹数目，整个模拟实验过程、效果与真实的α粒子散射实验有很多类似的地方（如图3）.

2 教具的制作

2.1 制作材料

1米长PVC管多根（如图4）、直径4cm的1mm厚铜片四片（如图5）、直径0.4mm的细铜线一卷（如图6）、10cm宽金色电镀纸一卷（如图7）、旧蚊帐一块.

2.2 制作过程

（1）将PVC管锯成多段，搭成长70cm、宽20cm、高50cm的长方形框架.

（2）将金色电镀纸包裹在框架四周（如图8）.

（3）在每片铜片上打上三个细孔，将细铜丝穿入，固定在长方形框架中的不同位置（注意四片铜片不共面，如图9）.

（4）将旧蚊帐固定于框架的另一面，用于挡住穿过框架的子弹（如图10）.

3 教具的使用

3.1 模拟α粒子散射实验

将“金箔”侧面面向学生（学生无法观察到内部结构），然后请一位学生蒙住眼睛（保证射击时的随机性），用玩具枪向模拟金箔射击（如图11）.

学生观察到大部分子弹穿过“金箔”，少数反弹，现象与α粒子散射实验的结果类似.在引导学生猜测“金箔”内部结构后，将“金箔”正面展示给学生，让学生观察其内部结构，验证其猜想.

3.2 估算原子核大小的数量级

教师可以在课后让班级的每一位学生都来进行实验，利用概率统计的方法来估算铜片半径的数量级，具体公式可表示为

击中的次数射击的次数=铜片的总面积长方形框架的面积

其中，射击的次数为：班级人数×每人射击的次数，铜片总面积为：铜片数×πr2.当得出数据后教师可以让学生比较计算值与实际值的误差，并通过改变射击的次数来分析误差的变化.

4 总结

在高中物理教学中，近代物理学部分的很多实验在中学阶段无法演示，很多教师就通过讲解或观看视频的方法进行介绍，导致很多学生对这些实验掌握得并不好.教师应当主动设计一些类比模拟的实验，不仅增加了学生的学习兴趣，也让学生更加直观了解实验设计的思想及结果，起到事半功倍的效果.

参考文献：

[1]余利君，廖远锡.美国教材中α粒子散射模拟实验的分析与借鉴 [J].中学物理教学参考，2006（12）：25-26.

（收稿日期：2020-02-05）