近代物理实验-绪论2012-1.ppt

近代物理实验 绪论 主讲人：赖发春 博士 教授 1 个人学习经历 1986年福建师范大学物理系本科毕业 1991年福建师范大学物理系硕士毕业 2005年中国科学技术大学凝聚态物理博士 毕业 2 凝聚态物理和光学专业硕士生导师，凝聚态物理 专业博士生导师 。承担过本科的大学物理实验 和近代物理实验教学工作，研究生课程有 ：薄膜技术、固体光学性质和纳米材 料与纳米技术。长期从事电子技术、薄膜材料 和纳米材料的制备及应用研究工作。申请国家发 明专利2项。近年来在Optics Express、 Applied Optics、Thin Solid Films和 Applied Surface Science等国内外期刊上发表 论文四十余篇，其中SCI收录15篇，EI收录25篇 。 主持和参与了国家和省级自然科学基金项目、 省科技计划重点项目等10余项。 3 发表论文代表作 1、Fachun Lai, Ming Li, Haiqian Wang, et al., Optical scattering characteristic of annealed niobium-oxide films, Thin Solid Films, Vol.488，（2005）314-320 2、Fachun Lai, Ming Li, Kang Chen, et al., Substrate temperature effect on the refractive index and a two-step film method for detecting small inhomogeneity in optical films, Applied Optics, Vol. 44, No. 29, (2005) 6181-6185 3、Fachun Lai, Limei Lin, et al.，Effect of thickness on the structure, morphology and optical properties of sputter deposited Nb2O5 films，Applied Surface Science, Vol.253, No. 4,（2006）1801-1805 4 4、Fachun Lai, Yong Wang, et al., Determination of optical constants and inhomogeneity of optical films by two-step film envelope method, Thin Solid Films, Vol.515，（2007）4763 -4767 5、Fachun Lai, Limei Lin, Rongquan Gai, et al., Determination of optical constants and thickness of In2O3:Sn films from transmittance data, Thin Solid Films, Vol.515, （ 2007）7387-7392 6、Limei Lin, Fachun Lai*, et al., Influence of annealing in N2 on the properties of In2O3:Sn thin films prepared by direct current magnetron sputtering, Materials Science and Engineering: B, 138 (2007) 166-171 7、Jing Lv, Fachun Lai*, et al., Thermal stability of Ag films in air prepared by thermal evaporation, Applied Surface Science, Vol. 253 (2007）7036-7040 5 8、Fachun Lai, Xiaochun Wu, et al., Dual wavelengths monitoring for optical coatings, Optics Express, Vol. 16, No. 13, (2008) 9436-9442. 9、Xiaochun Wu, Fachun Lai *, et al., Optical inhomogeneity of ZnS films deposited by thermal evaporation, Applied Surface Science Vol.254, No. 20,（2008）6455- 6460 10、Xiaochun Wu, Fachun Lai*, et al., Influence of thermal cycling on structural, optical and electrical properties of vanadium oxide thin films, Applied Surface Science Vol.255, No. 5P2,（2008）2840-2844 6 11、Binping Zhuang, Fachun Lai*, Limei Lin, Mingbao Lin, Yan Qu, Zhigao Huang, Substrate dependent morphologies and luminescence properties of ZnO nanostructures prepared by thermal evaporation, Advanced Materials Research, Vol. 60-61, (2009) 278-282. 12、Yu Pei, Limei Lin, Weifeng Zheng, Yan Qu, Zhigao Huang, Fachun Lai*, Effect of passing electric current on the electrical and optical properties of ITO films in air, Surface Review and Letters, Vol. 16, No. 6 (2009) 887-893. 13、Binping Zhuang, Fachun Lai*, Limei Lin, Mingbao Lin, Yan Qu, Zhigao Huang, ZnO nanobelts and hollow microspheres grown on Cu foil, Chinese Journal of Chemical Physics, Vol. 23, No. 1 (2010) 79-83. 7 联系方法 欢迎访问福建师范大学凝聚态物理网站： / 8 参考书 赖恒，赖发春，黄志高，周宏图，贾翠红编著，近代物 理实验，福建教育出版社，2001。 吴思诚，王祖铨编著，近代物理实验，北京大学出版 社，1995。 吴泳华主编，大学近代物理实验，中国科学技术大学 出版社，1992。 林木欣主编，近代物理实验，广东教育出版社，1994 。 陈彦、霍中生、李朝霞、李业凤编著，大学物理实验（ 近代物理分册），电子工业出版社，2004。 9 物理学从根本上来说是一门实验科学 理论物理在物理学中占据了非常重要的地 位，许多诺贝尔奖获得者都是因为在理论 方法的突破性贡献。（近30年的诺奖中， 理论占30，实验70，理论家占28， 实验家占72） 但物理学的理论只有在实验上得到验证的 才能真正成为Truth。 历史上许多理论销声匿迹了，因为得不到 实验的证明或违背实验。（如以太假设） 10 丁肇中在中山大学谈实验与理论 实验在物理研究中具有突出地位，但理论也非常 重要。一个实验物理学家对理论一定要有深刻的 了解，他做一个实验都要寻求理论依据。 但是理论又依赖于实验，再好的理论没有实验证 明都是无效的。 理论永远推翻不了实验，但实验可以推翻理论。 当实验把理论推翻了之后，可以寻找新的理论。 理论是认识事物的依据，实验是事实。 11 一、课程内容与特点 我们通常所说的“近代物理实验”是指1901年 以来物理学发展各个阶段所出现的具有创 造性的实验，这些实验都是人类认识自然 过程中的重大突破，是人类知识宝库中的 瑰宝，至今对我们仍然还有着巨大的吸引 力，因此这门课程是物理专业本科生必修 的一门重要的基础课。下面简单介绍一下 本课程内容及其特点。 12 1、课程内容 “近代物理实验”内容极为丰富，涉及物理 学各个领域。如原子物理、原子核物理、 真空技术、X光技术、磁共振技术，微波技 术、低温物理、固体物理、近代光学、声 学等等。这些内容概括起来可大体分作两 类： 13 两类重要实验 第一类是物理学发展史上起过重要作用的 著名实验，其中不少实验曾获得过诺贝尔 物理学奖。 第二类是代表近代最新科学技术成就而有 广泛应用的典型实验。 14 第一类 密立根油滴实验 密立根油滴实验在近代物理学发展中占有非常 重要的地位,该实验清楚地证明了电荷量的不连续 性, 确定了最小单位电荷的量值. 美国杰出的物理 学家密立根从1906 年起致力于细小油滴带电量的 测量,用了11 年时间,经过多次重大改进,终于以上 千个油滴的确凿实验数据得出基本电荷的电量e = (1. 592 4 0. 001 7) 10 - 19 C ,任何电量都是基 本电荷的整数倍, 这个基本电荷就是电子所带的电 荷,密立根因测出电子电荷及其他方面贡献,获得了 1923 年度诺贝尔物理奖. 15 16 1907年密立根在芝加哥大学开始做这个实验。 他一开始用的是水滴。但是水滴很容易挥发， 只能对它们的运动情况做几秒钟的观察。 这时研究生哈维弗雷彻彻加入了实验实验 室。为为了 防止水滴蒸发发，弗雷彻彻建议议改用油滴做实验实验 。在1天内，弗雷彻彻制作了油滴实验实验 的设备设备 ， 并在当天就进进行了实验实验 ，获获得了一个比较较靠 谱谱的数据。 那一天密立根不在实验实验 室，他第二天回到实实 验验室后，看到了弗雷彻彻的实验设备实验设备 ，非常兴兴 奋奋。此后两个人一起做工作，对实验设备进对实验设备进 行了改进进。6周后，公布了实验结实验结 果。 17 显然，这个实验的论文应该由两人联合发表。但密立 根提醒弗雷彻，根据学校要求，研究生的博士论文必 须单独署名，不能有合作者。密立根建议，弗雷彻可 以在以后的某篇论文单独署名作为其博士论文，作为 交换条件，这篇论文必须只署密立根一人的名字。弗 雷彻虽然感到失望，但没有办法，同意了这一安排。 于是在1910年密立根作为唯一作者发表了第一篇油滴 实验的论文，并最终获得诺奖。 1982年，弗雷彻死后发表的文章中才披露了这个秘密 。 虽然密立根在第一论文中也提到实验是由他和弗雷彻 一起做的，但是不管怎样，剥夺研究生在参与设计和 实验的论文的署名权，仍然是一种不正当的行为。 18 超导被发现部分原因是一个小男孩思想开小差 1911年荷兰Leiden大学的Onnes 在实现了He的 液化而获得了极低温度后，想测量液He温度下Hg 的电阻，看它是否像Lord Kelvin所预言电子在绝 对零度时停止运动，电阻为无限大。 但他诧异地发现Hg的电阻在LHe温度下变为零。 他认为一定是样品在那里短路了，就想法修复， 没有成功。 一次，他们发现Hg的电阻很奇怪地自己恢复正常 了。一查，发现看管温度的男孩在值班时打瞌睡 ，温度上升超过了4.2K的Hg的转变温度。短路不 可能和温度有关，应该排除，Hg电阻的剧降应该 是一种固有特性。Onnes把这一现象称为超导。 1913年ONNES获得了诺贝尔物理学奖 19 第一类 X射线衍射技术 X射线是1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射 线时偶然发现的。伦琴的这一划时代发现使当时 几乎处于沉寂中的物理学又重新活跃起来。因此 1901年伦琴获得首届诺贝尔物理学奖，在此后的 27年中就有劳厄，布喇喀父子，康普顿等6人由 于在X射线方面的研究而获得了诺贝尔物理学奖 ，由此可见，X射线学作为物理学的一个分支在 物理学的发展史上占有极为光辉的一页，目前X 射线技术已渗透到物理学，化学，地质生物学， 天文学，材料科学以及工程科学等许多学科中， 并得到广泛的应用。 20 21 X射线衍射仪是一种非常常见、应用面广泛的分 析仪器，主要应用于样品的物相定性或定量分析 、晶体结构分析、材料的结构分析、宏观应力或 微观应力的测定、晶粒大小测定、结晶度测定等 等，因此，在材料科学、物理学、化学、化工、 冶金、矿物、药物、塑料、建材、陶瓷等等以至 考古、刑侦、商检等众多学科和行业中都有广泛 的应用，是理工科院校和材料研究、生产的科研 机构、厂矿等单位的大型分析设备。 22 第一类 夫兰克赫芝实验 1912年玻尔发表原子结构理论，提出量子 能态（原子能级）假设。1914年夫兰克和 赫芝用慢电子去轰击汞蒸汽原子，成功地 使原子从低能级激发到高能级，得出了原 子发生跃迁时吸收和发射的能量是不连续 的，从而证实了原子能级的存在。用实验 最直接验证了玻尔量子能态的假设。因而 两人1925年共同获得了诺贝尔物理学奖。 23 24 25 第一类 核磁共振实验 1924年泡利在研究某些元素光谱的精细结构时， 首先提出了核磁矩与核自旋的概念。由于当时测 量仪器分辨本领的限制妨碍了对核磁矩的精确测 量。我们知道，自旋原子核在磁场中会产生进动 。在外加旋转磁场的频率等于核磁矩在恒定磁场 作用下的进动频率时，旋转磁场的能量被核磁矩 所吸收，产生共振吸收现象即所谓核磁共振。 1946年布洛赫和珀塞尔分别应用射频技术进行了 核磁共振实验，大大提高了核磁矩的测量精度， 由于这一重大贡献，这两位科学家获得1952年诺 贝尔奖。 26 当今核磁共振实验技术在物理，化学，生 物和医学等各个科学领域得到广泛的应用 。它不但是测定原子核磁矩和研究核结构 的直接而准确的方法，并且是进行分子结 构分析的主要工具之一。利用核磁共振测 量磁场方法简便，精度很高，是一种精确 测量磁场的标准方法。 27 第二类 激光全息 全息照相是匈牙利物理学家盖伯为了改善 电子显微镜的分辨率于1947年发明的。由 于当时光源微弱没有引起注意。直到60年 代激光器的出现，全息照相才蓬勃发展起 来成为一门新兴学科，因此，盖伯于1971 年获得了诺贝尔物理学奖。 28 激光全息是利用干涉法将自物体发出的光 振幅和位相同时记录下来的图象，当全息 图被一束相干光照明（衍射）时，光将重 现宛如物体存在时一样的波阵面，即物体 波前再现出来。全息照相在现代光学上占 有十分重要的地位，它不仅可用来计量长 度，位移，应力，应变，也可以用来测量 微小振动，进行频谱分析，无损检测，光 学信息处理和存储等，在科学技术的各个 方面都有广泛的应用，例如用于商标，他 人无法彷造。 29 第二类 微波技术 微波技术是第二次世界大战期间由于雷达 的需要而发展起来的一门电子技术。现在 已在通讯，原子能技术，空间技术，量子 电子学，以及工农业等许多部门获得了广 泛的应用。 30 31 第二类 真空技术 真空技术是一门理论与实验结合得很紧的 学科。它在电子学，冶金工业，薄膜光学 ，高能物理，低温超导，宇航技术，表面 科学等各方面得到广泛应用。目前人工已 经能够获得10-1410-15mm汞柱以上的超高 真空。随着生产和科学技术的进步，真空 技术必将得到进一步发展和越来越广泛的 应用。 32 33 第二类 传感技术 许多非电量（比如，力，声，光，热 温度）的测量，控制，处理，首先要将它 转换为与它有确定关系的电量，然后进行 测量，放大，自动控制，远距离操纵，以 及微机处理，这就需要各种传感器。因而 ，近年来传感器以及应用技术获得了蓬勃 的发展。 34 2、特点 涉及的物理知识面广 使用比较精密而复杂的实验仪器，价 格都比较昂贵。 具有较强的综合性和技术性，理论性 。 因此在开拓高年级学生的知识面培养 具有“开拓型”“创造型”和“能力型”人 才方面有着重要的作用。 35 近几年来，我校新校区的建设以及国家物理 实验教学示范中心的成立，投入了大量的 经费，更新了许多新的与时代相符的实验 ，如：高温超导，巨磁电阻，纳米材料和