四个近代实验讲解

1、实验05 塞 曼 效 应 实 验实验06 电子顺磁共振实验实验07 光 磁 共 振 实 验实验08 单 光 子 计数实验1实验分组：(二个大组)第01组，共13人每周二 15：5018：5020104741 李崇20104742 雷熊20104743 蒋可军20104744 关彬20104745 申艾麟20104746 夏铭伟20104747 瞿珂20104749 邵勇20104751 赵硕20104752 渠广昊20104753 裴岩松20104754 徐利军20104755 辛晓军第02组，共12人每周二 19：0022：0020104756 柯尊辰20104757 唐德君20104758

2、 李勇20104759 梁含笑20104760 王大为20104762 何阳20104763 刘承朋20104764 唐小舒20104765 任志远20104766 黄康20104767 冉政20104768 冉超2第01组 实验课表实验时间实验日期 实验05 塞曼效应 实验06电子顺磁共振 实验07光磁共振 实验08单光子计数15：50 18：50第12周星期二 11月20日李崇 雷熊蒋可军 关彬申艾麟夏铭伟 瞿珂邵勇 赵硕渠广昊裴岩松 徐利军辛晓军第13周星期二 11月27日申艾麟夏铭伟 瞿珂李崇 雷熊蒋可军 关彬裴岩松 徐利军辛晓军邵勇 赵硕渠广昊第14周星期二 12月4日邵勇 赵硕渠广

3、昊裴岩松 徐利军辛晓军李崇 雷熊蒋可军 关彬申艾麟夏铭伟 瞿珂第15周星期二 12月11日裴岩松 徐利军辛晓军邵勇 赵硕渠广昊申艾麟夏铭伟 瞿珂李崇 雷熊蒋可军 关彬3第02组 实验课表实验时间实验日期 实验05 塞曼效应 实验06电子顺磁共振 实验07光磁共振 实验08单光子计数19：00 22：00第12周星期二 11月20日柯尊辰 唐德君李 勇梁含笑 王大为何 阳刘承朋 唐小舒任志远黄康 冉政冉超第13周星期二 11月27日梁含笑 王大为何 阳柯尊辰 唐德君李 勇黄康 冉政冉超刘承朋 唐小舒任志远第14周星期二 12月4日刘承朋 唐小舒任志远黄康 冉政冉超柯尊辰 唐德君李 勇梁含笑 王大

4、为何 阳第15周星期二 12月11日黄康 冉政冉超刘承朋 唐小舒任志远梁含笑 王大为何 阳柯尊辰 唐德君李 勇4上 课 规 定 ：1，进 入 实 验 室 后 先 签 到；2，提 前 写 好 预 习 报 告， 课 上 完 成并提交实验报告。 注 意 事 项 ：1，爱护仪器：正确使用，操作轻缓；2，防止损坏：严禁猛力扭、扳、拉、扯；3，实验完毕，整理仪器： 所 有 电流 、电压 旋 钮 回 零， 所 有 锁紧松开，仪器摆放整齐；5预习报告的内容：1，实 验 题 目；2，实 验 目 的；3，实 验 仪 器；4，实 验 原 理； (完 整、简 明、扼 要 地 叙 述 有 关 物理过程、物理现象、物理关

5、系， 给 出 必 要 的 关系式、电路图、光路图 等 )6实验报告的内容：1，实验步骤和内容 (标题式的简述“主要步骤和内容”)2，数据处理，实验结果 (数 据 表 格，计 算 公 式， 代 入 数 据 及 量 纲， 计算结果，实验曲线，等 )3，误 差 分 析（选 做）7实验05 塞 曼 效 应 实 验一、电流环的磁矩，磁矩在磁场中的势能二、量 子 理 论 的 简 单 回 顾， 德布罗意关系，物理量取值的量子化三、原 子 能 级 在 磁 场 中 的 分 裂 ， 塞 曼 效 应 ，光 的 产 生四、法布里-珀罗标准具 测 光 的 波 长， 电 子 荷 质 比 的 测 量五、实 验 仪 器 介

6、绍六、实验步骤，实验内容，数据记录，实验报告8一、电流环的磁矩，磁矩在磁场中的势能磁 矩 的 大 小 ： I S (安米2)S磁矩在磁场中的势能 ：I9 当被讨论对象物理量的大小在数量级上 与 普 朗 克 常 量 可 以 比 拟 时 ，被讨论对象进入 (属于)“微观世界(量子世界)”，此时，量子现象、量子效应和量子规律等 将 发 挥 作 用 而 不 能 被 忽 略 。二 、量 子 理 论 的 简 单 回 顾， 德布罗意关系，物理量取值的量子化普朗克常数：h6.62610-34 JS10其中，普朗克常数 h 6.62610-34 Js1，德 布 罗 意 关 系德 布 罗 意 关 系 ：具 有 一

7、 定 能 量 E 和 动 量 p 的 微 观 粒 子，与频率 ，波长 入 的波(几率波)的相互关系为：11p2/2mH=T+V2，力 学 量 用 算 符 表 示 ，物 理 量 (取值) 的量子化在 坐 标 表 象 中 (算符的坐标表象) ， 各 物 理 量 的 算 符 ：12在 量 子 状 态 下 ， 所 讨 论 对 象 的 物 理 量只能 取 有一定规律的、间断 (分立,台阶,量子化)的无 限 多 个 可 能 值，每 个 取值 有 一 定 的 概 率，此称为“物理量的量子化取值”。 物 理 量 (取值) 的 量 子 化 ：13三 、原 子 能 级 在 磁 场 中 的 分 裂 ， 塞 曼 效

8、应 ，光 的 产 生1 ， 原子 的 (总)角动量 PJ 和 (总)磁矩 J 在原子中，原 子 核 的 磁 矩 远远小于 电子的轨道磁矩和自旋磁矩。不 考 虑 原 子 核 的 磁 矩 ， 电子的轨道磁矩和自旋磁矩之和，就 是 原 子 的 总 磁 矩 。同 样，电 子 的 轨 道 角 动 量 ， 就 是 原 子 的 总 角 动 量。 (角 动 量 定 义： )14 电 子 的 自旋磁矩 和 自旋角动量：自旋量子数 S0，1，2，3， 电 子 的 轨道磁矩 和 轨道角动量：轨道量子数 L0，1，2，3，15 原子的(总)磁矩、(总)角动量和(总)能量(能级)：量子数 g ：朗德因子总磁矩：量子数

9、J LS 0，1，2，3，总角动量和总能量(能级)：162，原子 能级 在磁场中的 分裂，塞曼效应将原子放于外磁场时，各能级将获得附加能量：xy17按量子规则，cos 只能取间断、连续的整数值， 此 为 “ 空 间 量 子 化 ”，所以有量子数 M =J，J1，(J1)，-J， 共 (2J1) 个 取 值 。所 以 各 能 级 的 附 加 能 量 为 ：“一个能级分裂单位”定义：18塞 曼 效 应，原 子 能级分裂 示 意 图：E1, M0 共(2J+1)=3条E0, M0 ：Ek, M0 ：共(2k+1)条E2, M0 共(2J+1)=5条J0，E0J1，E1J2，E2Jk，Ek 无磁场时能

10、级:共(2J+1)=1条 有磁场时,能级分裂:193，粒子在能级间的跃迁，光的产生以J2能级向J0能级的跃迁为例入2无磁场时，只有波长入2的光；有磁场时，共有5种波长的光。E0, M0 E2, M0 E1, M0 J0J1J220四 、法布里-珀罗标准具测光的波长， 电 子 荷 质 比 的 测 量法布里-珀罗标准具又称法布里-珀罗干涉仪， 简 称“F-P 标 准 具”、“F-P干 涉 仪”，是利用 多光束干涉 测量 微小波长差 的 仪器。d单波长多方向光线的衍射图样(同心圆环)k 级圆环一个波长的多条光线中，某 个 方 向 的一条光线21无 磁 场 时，单波长的圆环：波长入，k+1级圆环波长入

11、，k+1级圆环波长入，k级圆环波长入，k级圆环Dk+1Dk其中 为一个常数， 需由实验具体测定。进 而 有 ：有 以 下 关 系：22有 磁 场 时，多波长的圆环：入1，k+1级圆环入2，k+1级圆环入4，k+1级圆环入5，k+1级圆环入3，k+1级圆环入3，k+1级圆环入1，k级圆环入2，k级圆环入3，k级圆环入4，k级圆环入5，k级圆环入3，k级圆环由德布罗意关系 ，得：所以，对 同 级 圆环中任意 相邻圆环的能量差为：可得：再由：23五 、实 验 仪 器 介 绍1，FP 标 准 具法-珀板间距d40mm；透 镜 焦 距 f80mm；2，望 远 镜视场放大倍数：6 倍；主尺长度：1 cm主

12、尺最小分度值：1mm测距鼓轮最小分度值：0.01mm；24六、实验步骤，实验内容，数据记录，实验报告1，熟 悉 实 验 仪 器 。2，调望远镜目镜，看清分划线(三横一竖)。3，打开汞灯电源，测绿光的波长。 (绿光波长参考值 入546.1nm)（1）调 整 F - P 标 准 具 和 望 远 镜 ， 在视场中看到清晰、尖锐的同心绿圆环。25（2）数 据 记 录 , 实 验 报 告x0 x1x2x4x3x0 mm， x1 mm， x3 mm， x4 mm26D2D3D4计 算 二 次 绿 光 的 波 长。法-珀板间距d40mm，透镜焦距 f80mm；27（1）调整磁场强度，观察圆环粗细的变化， 找

13、 到 使 圆 环 最 粗 的 磁 场 ， 用 高 斯 计 测量 并 记 录 磁场的大小。4，打 开 磁 场 电 源，测 电 子 的 荷 质 比。 (电子荷质比参考值 )入11级入12级入13级入11级入12级入13级入91级入92级入93级入91级入92级入93级28（2）测 量 入1 、入9（各 测 一 次）， 计 算 电 子 的 荷 质 比（e/me）。本 实 验 计 算 中， 取 g 1 。 本 实 验 讲 解 结 束光速 c 3108m/s, B T29实 验 02 电 子 顺 磁 共 振 实 验一，物 质 磁性 的 来 源，顺 磁 性 物 质二、原子能级的共振跃迁，电子顺磁共振现象

14、(顺磁性物质原子对电磁波能量的共振吸收)三、实验步骤，实验内容，数据记录，实验报告30一，物 质 磁性 的 来 源，顺 磁 性 物 质原子的磁性来源于原子磁矩。 原子中各个电子的自旋磁矩和轨道磁矩耦合成为总电子磁矩。 同原子中所有电子的总磁矩相比，原子核的磁矩很小，可以略去不计。 所 以 原 子 的 总 磁 矩 由 原 子 中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。31 当原子组成分子或固体时，某些分子、离子或自由基中，含有一个或几个未成对电子， 它们的磁矩不能互相抵消， 将 构 成 总 电 子 磁 矩。 含有这种未成对电子的原子、离子、分子、 自 由 基 等顺磁性粒子的物质，为顺磁性物质，才能观

15、察到顺磁共振现象。 32量子数 g ：朗德因子 由原子物理知，原子的(总)磁矩与(总)角动量的关系：总磁矩：量子数 J LS 0，1，2，3，总角动量和总能量(能级)：二、原子能级的共振跃迁，电子顺磁共振现象 (顺磁性物质原子对电磁波能量的共振吸收)33 将 原 子 放 于 外 磁 场 时 ，各能级将获得附加能量，形成新的能级(塞曼能级，磁能级)：xy34按量子规则，cos 只能取间断、连续的整数值， 此 为 “ 空 间 量 子 化 ”，所以有量子数 M =J，J1，(J1)，-J， 共 (2J1) 个 取 值 。所 以 各 磁 能 级 的 附 加 能 量 为 ：“一个能级分裂单位”定义：35

16、这 样 ，各 磁 能 级 间 的 能 量 差 为 ：即：磁场中的原子，其 能级差 为 。定义：36再 将 原 子 放 入 电 磁 (波) 场 中 ，原子将吸收电磁(波)场能量而发生能级跃迁， 此 称 “共 振 吸 收”、“共 振 跃 迁”。当电磁(波)场的能量等于上述能量差时，所以，电子顺磁共振的共振条件为：也即共振条件为：37三、实验步骤，实验内容，数据记录，实验报告1，熟悉仪器和仪器连接，熟练使用示波器。3，调整微波源和谐振腔进入谐振状态， 用 示 波 器 观 察 谐 振 信 号 。2，打开电子顺磁共振谱仪电源，预热10分钟。(1)打 开 示 波 器 电 源 ， 输入通道藕合方式置“直流(

17、DC)档”, 伏/格 旋钮 选择 200mV/500mV， 秒/格 旋钮 选择 2.5ms/5ms/10ms。(2)调调谐螺丝(3个)及螺杆，使谐振信号最大；反复上述操作，使 谐振信号 最 大。调短路活塞，使 谐 振 信 号 最 小。38晶体检波器Q9头(接示波器)检波二极管微 波 源( 共 振 源 )9370MHz谐 振 腔图3.1-18 谐振腔中驻波示意图三个调节(调谐)螺丝调节(调谐)螺杆短路活塞394，搜 索 、观 察 电 子 顺 磁 共 振 信 号， 测 量 DPPH 样 品 的 朗 德 因 子 g 。(1) 示波器 输入通道藕合方式置“交流(AC)档”， 伏/格 旋钮 选择 2mV

18、/5mV/10mV/20mV， 秒/格 旋钮 选择 1ms/2.5ms/5ms/10ms 。(2) 加 上 适 当 的 扫 场 ， 形成可用示波器显示的共振信号波形 。(4) 用 高斯计 测量 磁场(B0) 并记录磁场的值。(3)缓 慢 调 整 励磁电流(外加磁场) 的 大小 ， 寻 找 、观 察 电 子 顺 磁 共 振 信 号。 （ 共振谱仪的“扫描调节”放于合适的位置； 外置信号源信号输出选50Hz正弦， 幅 值 旋 钮 小 于 满 偏 的 一 半。 ）40微 波 源( 共 振 源 )9370MHz谐 振 腔短路活塞DPPH样品直流调节扫描调节直流输出扫描输出直流输出：励磁电流，形成稳恒的

19、水平磁场， 产生 能 级 分 裂，形 成 磁能级。扫 描 输 出：在 微 波 源 信 号 上 迭 加 一 个 小 的 低 频 微扰信号 ( 数十Hz)，形成可用示波器显示的共振信号。41未 发 生 完 美 共 振 时 示 波 器 波 形：发 生 完 美 共 振 时 示 波 器 波 形：共振谱仪内的扫场外置信号源的扫场42(5) 实 验 报 告 ： 普朗克常数：h6.62610-34 JS 共振频率 9.370109Hz， 共振磁场 B0 T 计算DPPH样品的朗德因子 g ：测量要求：测量值 “ g 2.0 (1.5 2.5) ”。 本 实 验 讲 解 结 束43实 验 07 光 磁 共 振

20、实 验一、实验原理(光磁共振，双共振，光抽运)二 、 实 验 仪 器 介 绍三、实验步骤，实验内容，数据记录，实验报告44一、实验原理(光磁共振，双共振，光抽运) 在磁场中，塞曼分裂导致的磁能级间距通常比较小，因此，产生磁共振现象所需的能量通常位于微波或射频波段， 这 个 频 段 的 共 振 又 称 为 “赫 兹 共 振”。 对于磁共振信号很微弱的样品(比如气体样品)，此波段的电磁波能量要比光频段的能量小得多，普通的光谱仪器根本无法分辨，所以很难探测。45 光磁共振实际上是使原子、分子的光(学频率)共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。 在 光 泵 磁 共 振 技 术 中 ，一

21、方面光抽运改变了磁能级上的粒子数分布(粒子数反转)， 使 更 多 的 粒 子 参 与 磁 共 振 ，另一方面采取光探测的方法而不直接测量射频量子， 从 而 克 服 了 磁 共 振 信 号 弱 的 缺 点 ， 把 探 测 灵 敏 度 提 高 了 七 八 个 数 量 级， 同 时 又 保 持 了 磁 共 振 分 辩 率 高 的 优点 。 46 光 (泵) 磁 共 振 所 用 的 方 法 ，与核磁共振、电子顺磁共振相比，有二个重要的差别：第一，在相邻两个塞曼能级之间粒子数之差 不 再 由玻尔兹曼 分布决定，而是利用光抽运的方法，使相邻能级之间的 粒 子 数 差 额 增 加 了 几 个 数 量 级 ；

22、第二，磁共振不是通过样品磁偶极矩跃迁 所辐射或吸收的功率 大小来检测，而是测量共振之后所发生的通过样品吸收池 的偏振光强度的变化，又使信号功率提高了7 8 个数量级。正因为如此，光 泵 磁 共 振 能在弱磁场(0.11mT)下 精确检测气体原子能级的超 精 细 结 构 。47 由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。1966年诺贝尔物理学奖授予卡斯特勒（Alfred Kastler，19021984），以表彰他发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法。本实验的研究对象是碱金属原子铷(Rb)的蒸汽， 天 然 铷 中 含 量 大 的 同 位素 有

23、 两 种 ： 85Rb 占 72.15% ，87Rb 占 27.85%。48 主体单元二 、 实 验 仪 器 介 绍 主电源去主体单元 辅助电源水平稳场电流调节垂直稳场电流调节水平扫场电流调节水平扫场输出波形背板连线由 函数信号发生器控制 示 波 器 函数信号发生器 (代射频信号器， 为 共 振 源 )三个磁场方向切换三个线圈的加电:1,水平扫场线圈,形成可用示波器显示的波形;2,水平稳场线圈,形成磁能级的磁场;3,垂直稳场线圈,消除地磁场的影响;辅助电源及三个部件的加电:1,铷灯; 2,铷泡; 3,光电池及电路板; 二组线圈,二个磁场: 水平扫场, 水平稳场垂直稳场,消除地磁场发生共振时条件

24、为：49三、实验步骤，实验内容，数据记录，实验报告1，熟悉仪器和仪器连接，熟练使用示波器 。2，主电源和辅助电源所有电流旋钮回“零”。3，开主电源电源，按下辅助电源“池温”按键， 等待“灯温”、“池温”灯亮(约需等待数分钟)。4，用 示 波 器 观 察 光 抽 运 信 号。（1）垂 直 稳 场 电 流 置 0.07A 。（2）扫 场 波 形 选“方波”。（3）调节扫场幅度，用示波器观察光抽运信号。50未发生完美抽运时的信号波形完美抽运时的信号波形515，观 察 光 磁 共 振 信 号，记 录 数 据， 计 算 85Rb 和 87Rb 的 朗 德 因 子。（1）水平稳场电流选 0.10A/0.1

25、5A/0.2A。（2）垂 直 稳 场 电 流 置 0.07A 。（3）扫 场 波 形 选“ 三 角 波”。（4）函数信号发生器频率档选 1M， 信 号 幅 度 小于 满偏的一半，打开其电源。52（5）选 择 水平稳场 的 方向 为 弹起 ， 调节函数信号发生器的输出频率， (频率扫描范围50KHz1390KHz) 寻找85Rb 和 87Rb 的光磁共振信号， 记 录 数 据 并 填 入 表 01 。（6）选 择 水平稳场 的 方向 为 按下 ， 调节函数信号发生器的输出频率， (频率扫描范围50KHz1390KHz) 寻找85Rb 和 87Rb 的光磁共振信号， 记 录 数 据 并 填 入 表

26、 01 。53未完美共振时的信号波形完美共振时的信号波形54表01 85Rb 和 87Rb 光磁共振频率记录表 (水平稳场电流 I A)（6）数 据 处 理 , 实 验 报 告 。水平稳场方向低频率(85Rb)高频率(87Rb)按键弹起，1按键按下，2 共振频率 共振共振(1+2)/255水平稳场的大小：I A， N 250， r 0.2387m85Rb的朗德因子：85Rb的朗德因子：h 6.62610-34 JS参考理论值： g851/3， g871/2 本 实 验 讲 解 结 束56实 验 08 单 光 子 计 数 实 验一、实 验 原 理（阈值电平）1，单 光 子 峰 和 热 噪 声 光 子572，影 响 光子计数率 的 因 素（1）光电倍增管的温度值(环境温度)；（2）光电倍增管的高压值；（3）光电倍增管的阈值电平；3，光电倍增管 的 信 噪 比其中，Nd 称暗计数率，是关闭入射光源时的计数率， Nt 称 计 数 率，是 有 入 射 光 时 的 计数率。58二、实验步骤，实验内容，数据记录，