近代物理实验绪论---商学院

1、近代物理实验近代物理实验课程介绍课程介绍内容安排内容安排课程介绍课程介绍1.1 近代物理实验在物理实验中的地位近代物理实验在物理实验中的地位 1.2 近代物理实验的特点和课程要求近代物理实验的特点和课程要求1.1 近代物理实验在物理实验中的地位近代物理实验在物理实验中的地位 近代物理实验课是面向物理类高年级学生的一门近代物理实验课是面向物理类高年级学生的一门综合性实验课。国内外都是必修课。综合性实验课。国内外都是必修课。 与过去接触过的普物实验相比，近代物理实验的与过去接触过的普物实验相比，近代物理实验的面更宽、内容更丰富、综合性更强和更接近物理面更宽、内容更丰富、综合性更强和更接近物理学的前

2、沿。学的前沿。 实验课的目的是实验课的目的是使学生学会用实验方法研究物理使学生学会用实验方法研究物理现象和规律现象和规律。经过近代物理实验课的训练，应该。经过近代物理实验课的训练，应该具备基本的科研实验能力具备基本的科研实验能力。 （1）近代物理学发展史上的著名实验近代物理学发展史上的著名实验。对学生学。对学生学会如何用实验手段研究物理现象和规律以及了解会如何用实验手段研究物理现象和规律以及了解实验物理在物理学发展中的地位和作用很有帮助。实验物理在物理学发展中的地位和作用很有帮助。 （2）近代物理学发展的一些重要领域，）近代物理学发展的一些重要领域，在内容上在内容上能反映该领域基本的物理现象和

3、规律，在实验方能反映该领域基本的物理现象和规律，在实验方法与技术上有代表性的实验。法与技术上有代表性的实验。 （3）近代实验物理研究中经常要碰到的一些实验近代实验物理研究中经常要碰到的一些实验技术。技术。1.3 近代物理实验的特点和课程要求近代物理实验的特点和课程要求 A. 理论与实验结合。理论与实验结合。 B. 物理内容与实验技术。物理内容与实验技术。 C. 学会用实验的方法研究物理现象和规律。学会用实验的方法研究物理现象和规律。 D. 学会和提高在实践中获取知识的能力。学会和提高在实践中获取知识的能力。A. 理论与实验结合理论与实验结合 近代物理实验是建立在原子物理、量子力学、相对近代物理

4、实验是建立在原子物理、量子力学、相对论、固体物理和核物理等现代物理的理论基础之上论、固体物理和核物理等现代物理的理论基础之上的。通过它掌握近代物理中十分重要的物理概念：的。通过它掌握近代物理中十分重要的物理概念：原子能级、量子化现象、波粒二相性、相对论、能带原子能级、量子化现象、波粒二相性、相对论、能带论、空穴的概念、超导性、宏观量子现象等。论、空穴的概念、超导性、宏观量子现象等。B物理内容与实验技术物理内容与实验技术 一般每一个近代物理实验都包含物理内容与实验技术两方面。一般每一个近代物理实验都包含物理内容与实验技术两方面。 近代物理实验中要学习的实验技术有：近代物理实验中要学习的实验技术有

5、： X光技术，核探测技术，光技术，核探测技术，真空技术真空技术，磁共振技术磁共振技术，光谱技光谱技术术，微波技术，低温技术，微弱讯号提取。，微波技术，低温技术，微弱讯号提取。 所有实验技术的发展都是建立在物理原理基础之上的。各种实所有实验技术的发展都是建立在物理原理基础之上的。各种实验技术中也包含丰富的物理内容。两者密不可分，不可偏废。验技术中也包含丰富的物理内容。两者密不可分，不可偏废。C. 会用实验的方法研究物理现象和规律会用实验的方法研究物理现象和规律 注意分析实验中所出现的各种现象，检查对物理注意分析实验中所出现的各种现象，检查对物理概念和实验原理的掌握，检查实验条件的保证。概念和实验

6、原理的掌握，检查实验条件的保证。 学习改变实验条件看结果的变化。对结果的理解学习改变实验条件看结果的变化。对结果的理解会更深刻，所得结论可靠性越强。会更深刻，所得结论可靠性越强。 不能改变实验条件的实验装置不是一个好的教学不能改变实验条件的实验装置不是一个好的教学实验。实验。D 学会和提高在实践中获取知识的能力学会和提高在实践中获取知识的能力 注意观察注意观察 善于提问善于提问 阅读说明书和技术手册的能力阅读说明书和技术手册的能力 选择仪器和实验方法的能力选择仪器和实验方法的能力 拟定实验步骤，采集和处理数据的能力拟定实验步骤，采集和处理数据的能力基础知识基础知识 真空技术真空技术 真空的概念

7、真空的分类凡是低于标准大气压的气体状态均称为真空。凡是低于标准大气压的气体状态均称为真空。 粗真空 351010 Pa 低真空 131010Pa 高真空 611010Pa 超高真空 1061010Pa 极高真空 1010Pa 真空获得的基本原理 对密闭的腔室抽气，获得不同的大气压强对密闭的腔室抽气，获得不同的大气压强状态，即真空状态。状态，即真空状态。真空室：密闭的腔室真空室：密闭的腔室真空泵：抽气的设备真空泵：抽气的设备真空设备的组成是由是由真空泵真空泵、真空计真空计、被抽被抽容器容器及其它元及其它元件如件如真空阀门真空阀门等，借助于真等，借助于真空管道，按一空管道，按一定要求组合而定要求组

8、合而成，并具有所成，并具有所需抽气功能的需抽气功能的抽气装置。抽气装置。高真空系统图高真空系统图真空泵的分类： 机械泵（Machemical pump） 扩散泵（Diffusion pump） 离子泵（Ion pump） 低温泵（Cryopump） 分子泵（Turbomolecular pump） 随着真空应用的发展，真空泵的种类已发随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。极限压力十万、数百万升。极限压力(极限真空极限真空)从粗真从粗真空到空到10-12Pa以上的极高真空范围。以上的极高真空范围。 真空

9、机械泵 用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置 。 可以定义为：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。 机械真空泵的分类机械真空泵变容泵离心排气泵分子真空泵往复式旋转式其他形式定片式旋片式滑阀式液环式罗茨式螺旋式瓜形转子式瓜形罗茨复合式牵引分子泵涡轮分子泵复合分子泵旋片式真空泵旋片式真空泵 旋片式真空泵（简称旋片泵）： 是一种油封式机械真空泵。其工作压强范围为1.013251051.3310-2 (Pa)属于低真空泵。 旋片式真空泵主要由泵体、转子、旋片、端盖、弹簧等组成。在旋片式真空泵的腔内安装一个转子，转子外圆与泵腔内表面相切（二者有很

10、小的间隙），转子槽内装有带弹簧的二个旋片。旋转时，靠离心力和弹簧的张力使旋片顶端与泵腔的内壁保持接触，转子旋转带动旋片沿泵腔内壁滑动。 旋片泵的旋片把转子、泵腔和两个端盖所围成的月牙形空间分隔成A、B、C三部分。 （a）表示两旋片转动时上旋片A与进气口之间的体积不断增大，这时被抽容器内气体从进气口进入这部分空间。 （b）、（c）表示进入泵中的气体被旋片B与被抽容器隔开并被压缩到活门。当转子转动到图（d）的位置时，被压缩的气体的压强大于大气压强，这时活门被打开，气体排出泵外。两个旋片不停地重复以上过程，实现了对容器连续抽气的目的。 旋片泵工作原理旋片泵工作原理 旋片泵的旋片把转子、泵腔和两个端盖

11、所围成的月牙形空间分隔成A、B、C三部分。空间A容积增大空间B容积减小空间C容积减小吸气过程放气过程压缩过程旋片式真空泵的维护 1. 检查泵的操作环境,避免异物杂物落在泵上。 2. 开机前检查油位油质是否达到开机要求,若泵油不 够可添加,并确定在正常油位。 3. 注意起动及运转声响和温升情况。 4. 系统起动15分钟后查看排气压力,检查排气口有无 喷油现象。 5. 在操作介质含有适量水份的情况下,泵要在系统 起动前30分钟开机, 且在系统关闭30分钟后停机。 注意：油箱内绝对不能混有不同牌号的真空泵油 旋片真空泵的应用 工作压强范围为1.01325105 1.3310-2 (Pa)属于低真空泵

12、。它可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。已广泛地应用于冶金、机械、军工、电子、化工、轻工、石油及医药等生产和科研部门。 旋片式真空泵可以抽除密封容器中的干燥气体，若附有气镇装置，还可以抽除一定量的可凝性气体。但它不适于抽除含氧过高的，对金属有腐蚀性的、对泵油会起化学反应以及含有颗粒尘埃的气体。 什么是扩散泵 以低压高速蒸气流（油或汞等蒸气）作为工作介质的喷射真空泵，气体分子扩散到蒸气射流中，被送到出口。 扩散真空泵工作的基本原理是利用某些液体在高温加热气化后形成的气流喷射将经前级泵抽过的待抽真空体系中的残余气体分子带向前级泵抽气口抽走，气化的液体冷却后又回到加热釜中重新气

13、化。实验室的两种常用扩散泵：按泵的工作介质可分为：汞扩散泵油扩散泵l 过去曾用汞作为工作气体，但因汞有毒，现在通常采用高分子量的硅油。汞扩散泵汞扩散泵与真空系统连接情况示意图汞在加热釜中热至约185沸腾，汞气流经冷凝器上部之喷口喷出，将待抽真空体系中之残余气体冲带到冷凝器下部，富集之残气被前级泵抽走，同时汞蒸气冷却成液态汞回流入加热釜中重新气化。 油扩散泵 结构：结构：油扩散泵主要由泵体、扩散喷嘴、蒸气导管、油锅、加热器、扩散器、冷却系统和喷射喷嘴等部分组成 喷嘴可设若干级，有几级喷嘴就称几级泵。 原理：原理：当油扩散泵用前级泵预抽到低于1帕时，加热泵内硅油，使之受热沸腾蒸发，生成油蒸气，经过

14、导管在各级喷口处获得高速定向射流，沿箭头所示方向喷出。被抽气体由进气口进入泵内与油蒸汽分子碰撞，被高速蒸汽流带向泵壁。油分子在泵壁冷凝，沿泵壁流回油锅循环使用；而气体分子被释放出来并继续向下一级扩散；如此，气体被逐级压缩到排气口处，最终被前级泵抽走，使系统达到高真空的要求。以一个大气压开始抽气的泵叫前级泵前级泵，低于一个大气压才能抽气的叫次级泵次级泵。扩散真空泵是次级泵，通常用机械真空泵为其前级泵。 原理原理：扩散泵扩散泵工作条件：扩散泵工作条件：1 1、打开冷却水、打开冷却水2 2、泵体腔室处、泵体腔室处于低真空状态于低真空状态3 3、油温达到、油温达到300400300400扩散泵优缺点总

15、结：优点：优点：1.对被气体无选择性、2.抽气速率大、 3.使用寿命长、4.无摩擦和操作维护廉价方便。缺点：缺点：1.体积大、能耗高、2.易对真空室造成污染、3.限制了扩散泵极限真空度的提高。影响扩散泵抽速的原因扩散泵的返油气体分子的反扩散扩散泵油的裂化分解乳化变质清洗不干净的扩散泵里面有残余杂质也会影响扩散泵的抽速注意事项 经常检查油位位置和油质情况，油位到油标中心为准 在运作时腔内壁必须要保持清洁 扩散泵内腔的清理建议技术员在操作时戴上手套，因为甚至是一个指印也可能会要求除去水蒸气和其他分子。 在对泵分拆维护清理时，最后一定要用干燥的氮来净化。 离子泵离子泵1、定义：、定义：溅射离子泵又称

16、潘宁泵，它是靠潘溅射离子泵又称潘宁泵，它是靠潘宁放电维持抽气的一种宁放电维持抽气的一种无油无油清洁清洁超高真空超高真空泵。泵。是目前抽惰性气体较好的真空获得设备。是目前抽惰性气体较好的真空获得设备。2、特点：、特点：它具有工作压强宽广、极限压强低，它具有工作压强宽广、极限压强低，对惰性气体抽速大、无噪声、无振动、寿命对惰性气体抽速大、无噪声、无振动、寿命长，操作方便等优点。长，操作方便等优点。 3、极限抽速：、极限抽速：6.6 10 -9 Pa。溅射离子泵的结构溅射离子泵的结构阳极阳极多个不锈钢圆筒多个不锈钢圆筒(或四方或四方格、六方格格、六方格) 阴极阴极两块由钛板组成两块由钛板组成 磁场磁

17、场大小大小10002000 Gs；方向与阴极板垂直方向与阴极板垂直 电源电源37 kV 直流高压直流高压 溅射离子泵的抽气机理 A B C D E F排除惰性气体排除氢气预备过程排除活性气体 如图5所示，在每个阳极筒内发生的物理过程，可分解成六个步骤展开说明。 1)图中A表示在低压下，当阴极和阳极间加上高压时，引起场致发射。 2)图中B表示在电、磁场作用下电子作螺旋运动。 3)图中C表示电子与气体分子碰撞产生正离子和二次电子，引起雪崩效应。 4)图中D表示正离子轰击钛阴极，溅散出钛原子落在阳极筒上，形成新鲜钛膜，也有的落在阴板外围区(区)。 2)图中B表示在电、磁场作用下电子作螺旋运动。BVV

18、1V2B是外加磁场，当电子被激发后，运动速度与钛极板有一定的夹角，所以把他分解为平行于磁场方向和垂直于磁场方向两部分，其中垂直于电场方向受一个洛伦兹力是电子做匀速圆周运动，而平行于磁场方向还有一个速度，所以电子最终做一个螺旋运动。 3)图中C表示电子与气体分子碰撞产生正离子和二次电子，引起雪崩效应。 补充：在强电场下，半导体中的载流子会被电场加热（见半导体中的热载流子），部分载流子可以获得足够高的能量，这些载流子有可能通过碰撞把能量传递给价带上的电子，使之发生电离，从而产生电子-空穴对,这种过程称为碰撞电离。所产生的电子空穴对，在电场中向相反方向运动，又被电场加热并产生新的电子空穴对。依此方式

19、可以使载流子大量增殖, 这种现象称为雪崩倍增效应 5)图中E表示活性气体与新鲜钛膜反应形成化合物，化学吸附在阳极筒内壁。隋性气体被电离，离子在电场作用下轰击阴极过程中被排出。其排除方式为：(1)离子直接打入阴极表面内或区(如图中a)；斜射的离子切入阴极表面，离子和钛一起被掀掉，埋葬在区(图中b)；(2)离子没打入阴极内，从阴极得一电子恢复为中性原子或分子，反射到阳极内表面被埋掉(图中c)，这叫“荷能中性粒子反射”。 6)图中F表示对于氢，由于其质量小，氢离子轰击钛板的溅射产额甚低，通常需加大钛板的散热能力来改善溅射离子泵对氢的排除能力。要提高对氢的抽速，需保持钛板表面清洁，选用晶格常数较大的-

20、Ti或钛合金作为阴极板，或引入与氢可比拟的氩含量。因氩的溅散产额高，可提高对氢的抽速。溅射离子泵的抽气特性1，溅射离子泵的极限压强：可达10-10Pa。2，溅射离子泵在抽除惰性气体时，二极泵会出现氩不稳定性。 3，溅射离子泵对有机蒸气污染敏感，连续抽30min油蒸气就会使泵起动困难。低温泵 低温泵，又称冷凝泵，是一种利用温度极低的冷却表面的冷凝作用,把气体从系统内部排除的真空泵。 是获得洁净高真空或超高真空最先进的抽空设备之一。低温泵的抽气原理： 在低温泵内设有由液氦或制冷机冷却到极低温度的冷板。它使气体凝结，并保持凝结物的蒸汽压力低于泵的极限压力，从而达到抽气作用。 低温冷凝 低温吸附 低温

21、捕集 低温泵的抽气原理： 低温冷凝：气体分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的气体层上，其平衡压力基本上等于冷凝物的蒸气压。 低温吸附：气体分子以一个单分子层厚 (10-8厘米数量级)被吸附到涂在冷板上的吸附剂表面上 。 低温捕集：在抽气温度下不能冷凝的气体分子，被不断增长的可冷凝气体层埋葬和吸附。低温泵的基本分类： 注入式液氦低温泵注入式液氦低温泵 当泵被预抽到10-6 帕压力时灌入液氮和液氦，气体凝结在4.2K的工作冷板上。可获得10-11帕以下的极限压力。如果把液氦容器抽真空减压到6650帕，液氦温度可降到2.3K，则可得到更低的极限压力。 低温泵的基本分类：闭路循环气氦制冷闭路循环气氦制

22、冷机低温泵机低温泵 制冷机的制冷介质为气氦； 一级冷板温度为50100K，用来冷凝水蒸汽和预冷其他气体 二级冷板温度为1020K，用来冷凝氮、氧和氩等气体。内表面涂以活性炭 低温泵优点： 具有起始压力高(千帕量级) 工作压力范围宽(10-310-11torr) 抽速大 绝对洁净无油 对所有气体均有抽速并能抽除各种有毒有害气体 操作十分方便等优点低温泵的几个重要参数： 低温泵的抽气速度： 低温泵的工作真空度范围： 110-3-110-11托 低温泵的抽气能力（抽气容量）： 抽气容量是指低温泵能抽除（存留）某种特定气体的最大量 。 低温泵中制冷机的热负荷： 低温泵的热负载主要是气体的凝结热和周围壁

23、面对工作冷板的辐射热 。2气体常数 温度理想抽速气体分子量低温泵的应用： 低温泵广泛用于空间科学、高能物理、受控热核反应、薄膜技术、半导体、微电子技术以及近代各种显微镜技术。是最受欢迎的真空泵。分子泵的原理 分子泵是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。 分子泵的分类：分子泵的分类： 牵引分子泵 气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。 涡轮分子泵 靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。这种泵通常在分子流状态下工作。 复合分子泵 涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的分子真空泵。 涡轮分子泵的工作原理：涡轮分子