近代物理演示实验报告.doc

近代物理演示实验报告 近代物理实验报告 实验名称：电子自旋共振 姓名：同组者：指导老师： 得分： 院系： 班级： 日期： 评语： 二、实验原理 实验数据记录表 四、测试结果的计算 1、磁场计算公式 B0=Ko*(uo*No*(R2)*Io)/(R2)+(X2)0.5) 式中： uo-真空中磁导率，uo=4*PI*10E(-7)(亨/米)R-亥姆霍兹线圈半径(米)No-稳恒磁场线圈匝数Ns-扫场线圈匝数 Io-通过稳恒场线圈的电流(A)Is-通过扫场线圈的电流峰峰值 X-两线圈间距离的一半。对于亥姆霍兹线圈，X=R/2Ko-磁场线圈系数 2、g因子计算公式 根据共振时的Io算出磁场后，将所测得的频率及其它常量代入共振表达式 hv=gJ*uB*B 式中： uB-玻耳磁子，uB=0.9273*10E(-23)(J/T)h-普朗克常数，h=6.626*10E(-34)(J/S) 结果计算记录表 地磁场的计算方法为：地磁场=（B+-B-）/2 3、误差计算 xx-xx学年第一学期 近代物理实验 实验报告 目录 液晶电光效应实验.4 一、实验目的.4 二、实验原理.4 三、实验仪器.7 四、实验步骤.8 1、液晶电光特性测量.8 2、液晶上升时间、下降时间测量，响应时间.10 3、液晶屏视角特性测量.13 拓展实验：验证马吕斯定律.14 五、注意事项.15 附：LCD产品介绍及工艺流程相关资料.15 粒子散射.20 一、实验目的.20 二、实验原理.20 1、瞄准距离与散射角的关系.20 2、卢瑟福微分散射截面公式.21 3、对卢瑟福散射公式可以从以下几个方面加以验证。.23 三、实验仪器.23 四、实验步骤.24 五、实验数据及处理.24 六、思考题.27 散射的应用.27 电子衍射.29 一、实验目的.29 二、实验原理.29 运动电子的波长.29 相长干涉.29 三、实验仪器.30 四、实验数据及处理.30 五、实验结论.31 验证德布罗意假设.31 普朗克常量的测定.31 六、电子衍射的应用.32 塞曼效应.33 一、实验目的.33 二、实验原理.33 谱线在磁场中的能级分裂.33 法布里珀罗标准具.34用塞曼效应计算电子荷质比e.37m 三、实验步骤.37 四、数据处理及计算结果.37 五、误差分析.37 六、思考题.38 拓展实验.38 观察磁感应强度与能级分裂强弱的关系.38 估算铁芯的磁导率.38 七、塞曼效应在科学技术中的应用.39 液晶电光效应实验 一、实验目的 了解液晶的特性和基本工作原理； 掌握一些特性的常用测试方法； 了解液晶的应用和局限。 二、实验原理 液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。一般的液体内部分子排列是无序的，而液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃，直径为46埃，液晶层厚度一般为5-8微米。 列方式和天然胆甾(音同淄)相液晶的主要区别是：扭曲向列的扭曲角是人为可控的，且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关。而天然胆甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人为控制。 扭曲向列排列的液晶对入射光会有一个重要的作用，他会使入射的线偏振光的偏振方向顺着分子的扭曲方向旋转，类似于物质的旋光效应。在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于两基片之间的取向夹角。 由于液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特点。如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。从而使液晶材料的光学特性发生改变，1963年有人发现了这种现象。这就是液晶的的电光效应。 为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。我们将这个由基片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶盒。当我们在液晶盒的两个电极之间加上一个适当的电压时我们来看一下液晶分子会发生什么变化。根据液晶分子的结构特点。我们假定液晶分子没有固定的电极。但可被外电场极化形成一种感生电极矩。这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化。当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图2中的排列形式。本实验希望通过一些基本的观察和研究，对液晶材料的光学性质及物理结构有一个基本了解。并利用现有的物理知识进入初步的分析和解释。 图1图2这时， 液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失。通过检偏器，我们可以清晰地观察到偏振态的变化。大多数液晶器件都是这样工作的。 图3液晶屏结构 图4液晶光开关工作原理 以上的分析只是对液晶盒在“开关”两种极端状态下的情况作了一些初步的分析。 若将液晶盒放在两片平行偏振片之间，其偏振方向与上表面液晶分子取向相同。不加电压时，入射光通过起偏器形成的线偏振光，经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴旋转90o，不能通过检偏器；施加电压后，透过检偏器的光强与施加 中国石油大学近代物理实验实验报告成班级：材物二班姓名：焦方宇同组者：杜圣教师：周丽霞光泵磁共振 【实验目的】 1.观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解 2.观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。3.学会利用光磁共振的方法测量地磁场【实验原理】 1Rb原子基态及最低激发态的能级 在第一激发能级5P与基态5S之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条谱线，谱线为双线。52P1/2到52S1/2的跃迁产生的谱线为D1线，波长是794nm；52P1/2到52S1/2的跃迁产生的谱线为D2线，波长是780nm。 在核自旋I=0时，原子的价电子L-S耦合后总角动量PJ与原子总磁矩J的关系J=-gJe2（1） gJ?1? J(J?1)?L(L?1)?S(S?1) 2J(J?1)（2） I0时，对87Rb，I=3/2；对85Rb，I=5/2。总角动量F=I+J,?,|I-J|。87Rb基态F有两个值：F=2及F=1；85Rb基态有F=3及F=2。由F量子数表征的能级称为超精细结构能级。原子总角动量与总磁矩之间的关系为：F=-gFe2mPF（3） gF?gJ F(F?1)?J(J?1)?I(I?1) 2F(F?1)（4） 在磁场中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，磁量子数mFF,F-1,?,-F，裂成 2F1个能量间隔基本相等的塞曼子能级。 在弱磁场条件下，通过解Rb原子定态薛定锷方程可得能量本征值为 E?E0? ?h 2 F(F?1)?J(J?1)?I(I?1)?gFmF?BB（5） 由（5）式可得基态52S1/2的两个超精细能级之间的能量差为 ?EF? ah F(F?1)?F(F?1)（6）2 相邻塞曼子能级之间（mF1）的能量差为?EmF?gF?BB0（7） 2.圆偏振光对Rb原子的激发与光抽运效应 电子在原子能级间发生跃迁时，需要满足总能量和总角动量守恒。一定频率的光可引起能量差为原子能级之间的跃迁（能量守恒）。而当入射光是左旋圆偏振光（角动量为）时，量子力学给出的跃迁定则为?L?1,?F?0,?1,?mF?1（角动量守恒）。 87 ? 当入射光是D1的?光时，Rb的52S1/2态及52P1/2态的磁量子数mF最大值都是+2， 由于只能产生mF=+1的跃迁，基态mF+2子能级的粒子不能跃迁，当原子经历无辐射跃迁过程从52P1/2回到52S1/2时，粒子返回到基态各子能级的概率相等，这样经过若干循环之后，基态mF+2的子能级上的粒子数就会大大增加，即大量粒子被“抽运”到基态mF+2的子能级上，这就是光抽运效应。3.弛豫过程 在热平衡状态下，基态各子能级上的粒子数遵从玻尔兹曼分布N?N0exp(? E )（8）kT 由于各子能级能量差极小，可近似认为各能级上的粒子数相等。光抽运使能级之间的粒子数之差大大增加，使系统远远偏离热平衡分布状态。系统由偏离热平衡分布状态趋向热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。本实验涉及的几个主要弛豫过程有以下几种： 1、铷原子与容器器壁的碰撞：导致子能级之间的跃迁，使原子恢复到热平衡分布。2、铷原子之间的碰撞：导致自旋-自旋交换弛豫，失去偏极化。 3、铷原子与缓冲气体的碰撞：缓冲气体的分子磁矩很小，对原子的偏极化基本没影响。4.塞曼子能级间的磁共振 ? 垂直于B0的方向所加一圆频率为?1的射频场B1?B1(excos(?1t)?eysin(?1t)，当 h ?1?EmF?gF?FB0（9）时，塞曼子能级之间将发生磁共振。抽运到2? ? 基态mF?2子能级上的大量粒子，由于射频场B1的作用产生感应跃迁，即由mF?2跃 满足共振条件 迁到mF?1。同时由于光抽运的存在，处于mF?2子能级上的粒子又将被抽运到 mF?2子能级上，感应跃迁与光抽运将达到一个新的平衡。在发生磁共振时，由于mF?2子能级上的粒子数比未共振时多，因此对D1?光的吸收增大。 5.光探测 射到样品泡上D1线的光?一方面起到光抽运作用，另一方面透过样品的光又可以兼作探测光。测量透过样品的D1?光强的变化即可得到磁共振的信号，实现了磁共振的光探测，巧妙地将一个低频射频光子（110MHz）转换为一个光频光子（108MHz）,使信号功率提高了78个数量级。【实验仪器】 本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成，见图1. ? 图1光磁共振实验装置方框图 图2主体单元示意图 主体如图2所示。光源采用高频无极放电Rb灯，其优点是稳定性好，噪音小，光强大。由于D2线的存在不利于D2线的光抽运，故用透过率大于60%，带宽小于15nm的干涉滤光片就能很好地滤去D2线。用高碘硫酸奎宁偏振片和40微米左右的云母1/4波片可产生左旋偏振光+，透镜L1可将光源发出的光变为平行光，透镜L2将透过样品泡的平行光汇聚到光电接收器上。【实验内容】 1观测光抽运信号： 1）将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，射频信号发生器“幅度调节”调至最小，接通主电源开关和池温开关，约30分钟后，灯温、池温指示灯点亮。 2)调节“水平场”旋钮，调节水平磁场线圈电流的大小在0.20A以下，将指南针置于吸收池上边，判断水平磁场和地磁场的方向关系，改变水平场的方向，使水平场方向与地磁场水平方向相反，然后将指南针拿开，并且将水平磁场线圈电流调至最小。 3）扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度。再将指南针置于吸收池上边，改变扫场的方 向，设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反，然后将指南针拿开。 4）预置垂直场电流为0.07A，用来抵消地磁场垂直分量，然后调节扫场幅度，使光抽运信号幅度等高。 2观测光磁共振信号 1）扫场方式选择“三角波”，幅度保持1状态，设置水平磁场方向、扫场方向和地磁场水平分量相同，调节射频信号发生器“幅度调节”旋钮，使射频信号峰峰值在4.5V。在水平场电流分别为0.24A，0.20A和0.18A时，读出对应的频率1。 2）按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平分量和扫场方向相反。仍用上述方法，可得到2，则利用公式（7-3-10）可求出gF因子。 3测量地磁 1）同测gF因子方法类似，先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，测得1；2）再按动扫场及水平场方向开关，使扫场、水平场方向与地磁场水平分量方向相反，又得到3。这样由（7-3-14）式可得地磁场水平分量Be/，并根据Be=（B2e/+B2e?）可得到地磁场的大小。 3）垂直磁场由下式计算B? 1/2 32?NI ?10?7（T）（7-3-15）3/2 5r 式中N和r是两个垂直磁场线圈每边的线圈匝数和线圈有效半径。因为两个垂直场线圈是串联的，数字表显示的I值是流过单个线圈的电流。 表7-3-1厂家给出的线圈参数 一、测量gF因子 表1测量gF数据表 用式（7-3-11）BDC? h(?1?2)16?NI?7 ?10可算出B可DC，用式（7-3-10）gF?3/2 5r2?BBDC 算出gF，其中N和r可从表7-3-1中读出。利用式（7-3-12）可得： gf(Rb)/gf(Rb)=0.5044/0.3371=1.4997 因此实验数据和结果与理论基本相符。 二、测量地磁场 表2测量地磁场数据表 87 85 利用式（7-3-15）可得垂直方向上的地