近代物理试验

近代物理实验,广西师范大学物电学院 近代物理实验室,前言,近代物理实验是物理本科专业教学的一门主干基础课，是介于普通物理实验和专题研究之间的重要环节。它的内容广泛，涉及近代物理学发展中的著名实验和常用的实验方法与技术。 通过实验能使学生了解前人的物理思想和探索过程；着重培养学生阅读参考资料、选择测量方法和仪器、观察实验现象、独立操作实验、正确测量、处理实验数据以及分析与总结实验结果等方面的独立能力；,前言,培养学生实事求是、踏实细致、严肃认真的科学态度和克服困难、坚忍不拔的工作作风，以及良好的实验素质和习惯。 我们学院经过几十年的发展，现可向本科生开设16个近代物理实验。涉及原子物理、核物理、激光、晶体衍射、磁共振、真空和低温、微波、微弱信号检测等方面的实验。,实验一 验证快速电子的动量与动能的相对论关系,实验目的 本实验通过对快速电子的动量值及动能的同时测定来验证动量和动能之间的相对论关系。同时实验者从中学习到 、闪烁计数器的使用方法及一些实验数据处理的思想方法。,实验一 验证快速电子的动量与动能的相对论关系,实验原理 洛伦兹变换下，静止质量为m，速度为v的物体，狭义相对论定义的动量p为： ，相对论的能量E为： 是运动物体的总能量，当物体静止时，物体的能量为 称为静止能量；两者之差为物体的动能，即,实验一 验证快速电子的动量与动能的相对论关系,当 时，上式可展开为： 狭义相对论的动量与能量的关系为： 而动能与能量的关系为：,实验一 验证快速电子的动量与动能的相对论关系,高速电子的狭义相对论的动量与动能的关系如下图所示：,实验一 验证快速电子的动量与动能的相对论关系,实验仪器,实验一 验证快速电子的动量与动能的相对论关系,实验内容 测量快速电子的动量。 测量快速电子的动能。 验证快速电子的动量与动能之间的关系符合相对论效应。,实验二 夫兰克赫兹实验,实验目的 1.通过测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。 2.分析灯丝电压、拒斥电压等因素对-实验曲线的影响。,实验二 夫兰克赫兹实验,实验原理： 设氩原子的基态能量为1，第一激发态的能量为2，初速为零的电子在电位差为0的加速电场作用下，获得能量为0，具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能量0 2 1时，电子与氩原子只能发生弹性碰撞，由于电子质量比氩原子质量小得多，电子能量损失很少。如果0 2-1 ，则电子与氩原子会产生非弹性碰撞。氩原子从电子中取得能量，而由基态跃迁到第一激发态，0 。相应的电位差即为氩原子的第一激发电位。,实验二 夫兰克赫兹实验,实验原理图,动态模拟图,实验二 夫兰克赫兹实验,实验原理图简化图,实验二 夫兰克赫兹实验,夫兰克赫兹AGK曲线图 对于氩，曲线上 相邻两峰(或谷)对应 的GK之差，即为 原子的第一激发 电位。,实验二 夫兰克赫兹实验,实验仪器,实验二 夫兰克赫兹实验,实验内容 1.测量氩原子的第一激发电位。 2.描绘出夫兰克-赫兹管的阳极电流与加速电压的关系曲线。 3.分析灯丝电压Vf、拒斥电压VP、控制栅极极电压VG1等因素对-实验曲线的影响 。,实验二 夫兰克赫兹实验,实验步骤 1.将所有电位器逆时针旋至0,将扫描开关(6)拨至手调, IP电流增益波段开关拨至100nA(或10nA)、IP输出(8)、VG2输出(5)通过Q9接头连接至示波器或其它记录设备仪上。 2.打开电源,将(VG1、VP、Vf)调节至参考参数(必须严格根据厂家所提供的参数)中的参考值。 3.逐渐调节VG2观察IP电流指示(5)即可得到相关关系。 4.如果是用示波器观察则将扫描开关(6)拨至自动扫描,扫描开关(7)拨至快速。 5.将氩原子第一激发电位的实验值与理论值（11.55）比较，作误差分析。,实验三 氢原子光谱的研究,实验目的 1、学习摄谱、识谱和谱线测量等光谱研究的基本技术。 2、通过测量氢光谱可见谱线的波长，验证巴耳末公式的正确性，从而对玻尔理论的实验基础有具体了解。力求准确测定氢的里德伯常数，对近代测量所达到的精度有一初步了解。,实验三 氢原子光谱的研究,实验原理 在可见光区中氢的谱线可以用巴耳末的经验公式（1885年）来表示，即,实验三 氢原子光谱的研究,实验原理 式中n为整数3，4，5，。通常这些氢谱线为巴耳末线系。为了更清楚地表明谱线分布的规律，将（1）式改写作,式中RH 称为氢的里德伯常数。上右侧的整数2换成1，3，4，.，可得氢的其它线系。,实验三 氢原子光谱的研究,按照这个模型得到巴耳末线系的理论公式为,式中为真空中介电常数，h为谱郎克常数，c为光速，e为电子电荷，m为电子质量，M为氢核的质量。这样，不仅给予巴耳末的经验公式以物理解释，而且里德伯常数和许多基本物理常数联系起来了。即,实验三 氢原子光谱的研究,其中 R 为将核的质量视为 (即假定核固定不动)时的里德伯常数,目前的公认为,设M为质子的质量，则 m/M=（5446170.13+0.11）*10-10，代入式(4)中可得 RH=（10967758.3060.013）m-1,实验三 氢原子光谱的研究,实验仪器,动态模拟图,实验三 氢原子光谱的研究,实验三 氢原子光谱的研究,实验内容,实验三 氢原子光谱的研究,1、拟订摄谱计划。 2 2、在全黑的暗室中安装底片。应注意使乳胶面向着光源。 3、准备好氢谱光源和铁谱光源。利用哈特曼光阑依次按计划拍摄。 4、在暗室冲洗拍好的底片，应遵照实验室给出的冲洗条件进行，培养科学的暗室工作习惯。 5、利用映谱仪找出全部拍下的氢谱线，并且利用铁谱图上的铁谱线测定它们的波长。 6、选择三根细而清晰的氢谱线，用比长仪进行精确测量。重复测量约六次。,实验四 塞曼效应,实验目的 掌握观测塞曼效应的实验方法。 加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理概念的理解. 观察汞原子546.1nm谱线的分裂现象以及它们偏振状态。 学习用法布里-珀罗标准具和CCD器件在光谱测量中的应用 由塞曼裂距计算电子的荷质比。,实验四 塞曼效应,实验原理 1、塞曼效应 荷兰物理学家塞曼（PZeemaK）于1896年发现，把光源放在足够强的磁场中，原来的一条光谱分裂为几条偏振的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同，后人称此现象为塞曼效应。,实验四 塞曼效应,设原子某一能级的能量为E，在外磁场的作用下，原子将获得附加能量 磁量子数M 共有2J+1 个值, 即原来的一个能级分裂成2J+1个子能级，不同能级分裂的间隔由下式决定。,实验四 塞曼效应,设未加磁场时跃迁前后的能级为 和 ,则谱线的频率满足下式： 在磁场中上下能级分别分裂为 和 个子能级,附加的能量分别为 和 ,新的谱线频率由下式决定 分裂谱线的频率差为： 用波数来表示为：,实验四 塞曼效应,2、汞绿线在外磁场中的分裂 跃迁时M的选择定则和偏振定则： 当 0时，垂直于磁场的方向可观察到电矢量振动平行于磁场的线偏振光 线（当J2=J1时，M2=0 M1=0除外）， 当 =土1, 垂直于磁场观察时, 能观察到振动方向垂直于磁场线偏振光 线。 本实验所观察到的汞绿线，即546.1nm谱线是能级73S1到63P2之间的跃迁，各项量子数如下表：,实验四 塞曼效应,实验四 塞曼效应,在外磁场的作用下，能级间的跃迁如下所示 M2g2-M1g1: -2, 3/2, -1； -1/2, 0, 1/2； 1, 3/2, 2 M=M2-M1: M=-1 M=0 M=+1 (EB) (EB) (EB) 垂直B方向观察： 都是线偏振光 平行B方向观察：左旋圆偏振光 无光 右旋圆偏振光,实验四 塞曼效应,实验装置 1、实验装置示意图,实验四 塞曼效应,2、法布里珀罗标准具的原理及性能参数 这些相邻光束之间有一定的光程差，即 当光程差为波长的整数倍时产生相长干涉，得到光强极大值： 图2标准具的光路图,实验四 塞曼效应,3、用法布里珀罗标准具测量微小波长差的公式 图5 成分的干涉花纹读数示意图,实验四 塞曼效应,根据图4几何关系，干涉圆环花纹的入射角 与花纹的直径D有如下关系： 对同一波长的相邻两级K和K-1,花纹的直径平方差用 表示,得 对同一干涉级，不同波长 和 的波长差（如图5所示）为： 最后得电子荷质比的公式：,实验四 塞曼效应,实验内容与方法 1、调节光路：调节光路上各光学元件等高共轴，点燃汞灯，使光束通过每个光学元件的中心。调节透镜3的位置和干涉虑光片5的角度，使尽可能强的均匀光束落在F-P标准具上。调节标准具上三个压紧弹簧螺丝，使两平行面达到严格平行，从计算机“塞曼效应智能分析软件”中可观察到清晰明亮的一组同心干涉圆环。 2、接通电磁铁稳流电源，缓慢地增大磁场B，这时，从计算机“塞曼效应智能分析软件”中可观察到细锐的干涉圆环逐渐变粗，然后发生分裂。随着磁场B的增大，谱线的分裂宽度也在不断增宽，当励磁电流达到1A（电流值一般在0.51A范围进行调节）时，谱线由一条分裂成九条，而且很细。当旋转偏振片为00、450、900各不同位置时，可观察到偏振性质不同的成分和成分。（如图5 成分的干涉花纹读数示意图）,实验四 塞曼效应,3、旋转偏振片，找到分裂清晰的线，以同一格式分别保存未加磁场和加上磁场的两个干涉图。 4、用高斯计测量磁场强度B值并记下此数值。 5、测量与数据处理：用“塞曼效应智能分析软件”分别打开第3步中保存的两个图像，未加磁场时的干涉图像用来确定干涉圆环的圆心坐标，加上磁场后分裂的干涉图用来测量各个干涉级的直径值，利用相关公式求出电子荷质比的值（取三个干涉级中相应的直径的平方差的平均值），并计算误差。 标准值额e/m=1.76*1011C/kg,实验五 密立根油滴实验,实验目的 1、验证电荷的不连续性， 2、测定电子的基本电荷值e 。,实验五 密立根油滴实验,实验原理 下面两图为质量为、带电量为的油滴处在两块平行极板之间的受力及运动情况图。,动态模拟图,实验五 密立根油滴实验,1、在平行极板未加电压时，根据斯托克斯定律，粘滞阻力为rg ，这时有 Vgg 2、当在平行极板上加电压时 ，有 eg ，而 3、根据以上式子可得 动态(非平衡)法测油滴电荷的公式为：,实验五 密立根油滴实验,调节平行极板间的电压，使油滴不动，e，即e，此时得静态法测油滴电荷的公式为：,实验五 密立根油滴实验,实验仪器 电视显微油滴仪构成示意图,实验五 密立根油滴实验,实验内容 用静态法和动态法分别测量510颗油滴的电荷(每颗测量610次)，求出电子电荷值，并计算误差。 ,实验六 全息技术,实验目的 1. 了解激光全息照相的基本原理。 2. 学习拍摄静态全息照相的技术。 3. 了解再现全息物象的方法。,实验六 全息技术,实验原理,动态模拟图,实验六 全息技术,全息技术，是一种二步成像的照相技术。如图321（a）所示，将物体O的光波波面记录在光敏材料H上，记录的结果称全息图，然后如图321（b）所示，按一定条件用光照射这全息图，原先被记录的物体光波波面，就会在全息图H的右方再现出来。这时，H左面的物体以及物体至全息图之间的光波面并不存在，但是H右方的“再现”波面，却和物体在原位发出的完全相同，这就相当于在“物”的原位再现了完全相同的三维“像”。,实验六 全息技术,实验装置 1.实验条件 （1）选用相干性好的激光器，通常使用小型的或一米管长的氦氖激光器。 （2）保证光路系统的机械稳定性。 （3）选用分辨率适当的干版。 2.设备和用具 在暗房进行实验，主要装置有刚质防震光学平台、 激光器、 快门、 照度计、分束镜、 反束镜、 反射镜、透镜、干版架、自动曝光控制器以及干版、显定影药品、器皿等。,实验六 全息技术,实验内容 注意：切勿让激光束直接照射眼睛！并防止干版误曝光。 1检查防震台的稳定性。 2按选定的光路布置、调整好元件，并注意让二光束到干版的光程大致相等。 3测量光强比和总光强。 4拍摄、冲洗。关闭快门，将干版装到干版架上，药面朝向物体。 5再现。 6测量。,实验七 光速的测量,实验目的 理解光拍频概念及其获得。 掌握光拍法测量光速的技术。,实验七 光速的测量,实验原理： 光波是电磁波，光速是最重要的物理常数之一。光速的准确测量有重要的物理意义，也有重要的实用价值。,实验七 光速的测量,我们知道，光速cst，是光传播的距离，是光传播所需的时间。例如c=f中，相当上式的，可以方便地测得，但光频大约1014，我们没有那样的频率计，同样传播距离所需的时间1f也没有比较方便的测量方法。如果使变得很低，例如30，那么波长约为10。这种测量对我们说来是十分方便的。这种使光频“变低”的方法就是所谓“光拍频法”。频率相近的两束光同方向共线传播，叠加成拍频光波，其强度包络的频率（即光拍频）即为两束光的频差，适当控制它们的频差即可达到降低拍频光波拍频的目的。,实验七 光速的测量,2、光拍的产生和接收 根据振动叠加原理，频差较小、速度相同的二同向共线传播的简谐波相叠加形成拍。拍频波的频率（即拍频）是相叠加二简谐波的频差。考虑频率分别为1和2（频差ff1f2 f1，f2)的二光束（为简化讨论，假定它们振幅相同） 1（111） 2（222）,实验七 光速的测量,其中是与相应的角频率，12为二光束的位相差。可见光电检测器输出的光电流包含有直流和光拍频交变信号两种成分。滤去直流成分，即得频率为光拍频、位相与光程有关的光拍频电信号。,实验七 光速的测量,实验装置,实验七 光速的测量,动态模拟图,实验七 光速的测量,实验内容 按图10.2-5在位相差为的情况下测出-激光在空气中的传播速度，分别作多次测量，计算标准偏差。,实验八 X射线晶体分析德拜相法,实验目的 理解晶体的衍射原理。掌握用德拜法测定立方晶体晶格常数及鉴定物相的方法。,实验八 X射线晶体分析德拜相法,实验原理,实验八 X射线晶体分析德拜相法,（K）,实验八 X射线晶体分析德拜相法,实验八 X射线晶体分析德拜相法,实验八 X射线晶体分析德拜相法,（51-2）,实验八 X射线晶体分析德拜相法,i21i22i23122223 上式中i2值测定后，即可得到2的比值，而2的可能值应为除，15，23值外的一系列正整数，由表51-1便可确定产生各衍射弧线对的晶面族的干涉面指数，同时也可确定待测试样的原胞类型。,实验八 X射线晶体分析德拜相法,实验仪器,实验八 X射线晶体分析德拜相法,实验内容 1、拍照 2、洗像 3、测量各衍射环的弧长,实验九 核磁共振,由图1可得， 得 由此有 其中 为旋磁比。,实验九 核磁共振,如果再在垂直于 的平面内加一个角频率相同的弱旋转磁场 ，如图所示。则磁矩 除受 的作用外，还受到 的影响。,实验九 核磁共振,由图2知， 将导致 绕其旋进，因而使 原来绕 旋进的夹角 增加。由核磁能的表达式 可知， 对 的空间取向的变化，表示原子核从弱磁场 中吸取了能量使自己能量增加，这就是核磁共振。发生核磁共振的条件为：,实验九 核磁共振,若原子核处于磁场中，则磁矩相对磁场的取向也是量子化的，其分量只能取以下值 式中m=I，I-1，-(I-1)，-I，称为核磁量子数。由此可知，在磁场中原来的一个核磁能级要分裂为不连续的几个能级，其能量为 氢核(1H)的自旋量子数I=1/2，磁量子数为m=1/2和m=-1/2 两个值；故1H在磁场作用下被分裂成的两个能级的能量差为：,实验九 核磁共振,当1H核所在稳恒磁场区域叠加一个交变磁场时，它的方向与原磁场垂直，如果其频率正好满足 ，则处于低量级的1H核就有可能吸收能量 而跃迁到高能级上去，即产生核磁共振现象。,实验九 核磁共振,实验仪器,实验九 核磁共振,示波器触发信号的形式内扫描和外扫描 （a） （b） （c）,实验十 微波的传输特性,实验目的 1.熟悉微波测试系统，了解反射速调管振荡的基本原理。 2.掌握速调管源三种工作方式的正确使用，观察和测量反射速调管的工作特性曲线。 3.掌握驻波、波长和频率的测量方法。,实验十 微波的传输特性,实验原理,动态模拟图,实验十 微波的传输特性,实验十 微波的传输特性,实验十 微波的传输特性,实验内容 1.波导匹配状态的调节 2.速调管工作特性研究,实验十一 小型制冷装置制冷量和制冷系数的测量,实验目的 利用加热补偿法测量不同温度下小型制冷机模拟系统的制冷功率。 通过对制冷系统压缩机排气口和回气口温度及压力的测量估测制冷效率。 通过以上测量学习和掌握对不同制冷剂及不同灌注量的制冷剂对制冷功率与效率的影响进行研究的原理与方法。,实验十一 小型制冷装置制冷量和制冷系数的测量,实验原理,实验十一 小型制冷装置制冷量和制冷系数的测量,实验十一 小型制冷装置制冷量和制冷系数的测量,实验十一 小型制冷装置制冷量和制冷系数的测量,制冷系数,实验十一 小型制冷装置制冷量和制冷系数的测量,实验仪器,实验十一 小型制冷装置制冷量和制冷系数的测量,实验仪器,动态模拟图,实验十一 小型制冷装置制冷量和制冷系数的测量,实验内容 开机后制冷机蒸发室温度时间响应特性。 蒸发室处于不同温度时，制冷机的制冷量测量，获得制冷量温度特性（，）。 蒸发室处于不同温度时，制冷机的实际制冷系数，热过程分析的理论效率以及卡诺循环的理想效率（，）。,实验十二 真空镀膜,实验目的 1.以真空镀膜机组为例，了解高真空系统的结构，掌握高真空的获得与测量的方法。 2.掌握真空镀膜的工艺原理及在基片上蒸镀光学金属、介质薄膜的工艺过程。,实验十二 真空镀膜,实验原理 在高真空状态下，由于气体密度的减少，使得分子间的碰撞显著的减少。当气体的压力降低到（托）时，气体分子的平均自由程约为500mm，同镀膜室的几何尺寸相当，所以镀膜室的剩余气体主要是与容器壁发生碰撞。在这样的物理环境下，物质受热时氧化及化学反应小，导热性小，物质的汽化点降低，利于物质在高温下蒸发的分子（或原字）无阻碍地到达基片上，并缓慢凝结成薄膜，这是真空镀膜的物理基础。,实验十二 真空镀膜,实验仪器,动态模拟图,实验十二 真空镀膜,实验内容 1.基片清洗（做单层MgF2增透膜实验时，基片为一透镜）。先用水清洗基片灰尘，再用中性洗剂刷洗，然后用纯水洗净，并用酒精乙醚擦洗干净。 2.打开镀膜机总电源。 3.将低阀拉出（图8.2-12中“抽钟罩”状态），开磁力充气阀对钟罩充气，充气完毕后关充气阀，升钟罩。,实验十二 真空镀膜,4.装好蒸发源、蒸发物膜料以及基片。单层MgF2增透膜为必做实验，蒸发源为钼舟，膜料为晶体块状；单层ZnS介质膜、多层（五层）介质高反膜及金属反射膜为选修实验，前两者蒸发源采用钼舟，后者采用丝状钨蒸发源。 5.合上钟罩，开机械泵，对镀膜室抽气分钟（此时对镀膜室抽气是为了使镀膜室具有一定的低真空，使得低阀能够推入）。,实验十二 真空镀膜,6.将低阀推入（图8.2-12中“抽系统”状态），此时机械泵对扩散泵抽气。 7.约15分钟后，接通扩散泵冷却