近代物理实验指导书

近代物理实验实验指导书（1）宁夏大学物理电气信息学院近代物理实验室实验一（A）氢、氘光谱实验【目的规定】1．测定氢原子与氘原子的巴耳末系发射光谱的波长和氢原子与氘原子的里德伯常数；2．了解WGD－8A【仪器用品】氢氘灯、WGD－8A【原理】光谱是研究物质微观结构的重要手段，它广泛地应用于化学分析、医药、生物、地质、冶金、考古等部门。常用的光谱有吸取光谱、发射光谱、和散射光谱，波段从X射线、紫外线、可见光、红外光到微波和射频波段。本实验通过用光栅光谱仪测量氢原子与氘原子在可见波段的发射光谱，了解光谱与微观结构（能级）间的联系和掌握光谱测量的基本方法。1．氢原子光谱图1是氢原子的能级图，根据玻尔理论，氢原子的能级公式为：（n=1，2，3…）（1）图1氢原子的能级图式中称为约化质量，为电子质量，为原子核质量，氢原子的等于1836.15。图1氢原子的能级图电子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量为两能级间的能量差，（m>n）（2）如以波数表达，则上式为（3）式中为氢原子的里德伯常数，单位是，称为光谱项，它与能级是相应的。从可得氢原子各能级的能量（4）式中h=4.13567×10-15eV·s，c=2.99792×108m从图1中可知，从至跃迁，光子波长位于可见光区，其光谱符合规律（m=3，4，5…）（5）这就是1885年巴耳末发现并总结的经验规律，称为巴耳末系。氢原子的莱曼系位于紫外，其他线系均位于红外。图2氢氘光谱图3氢氘光谱巴耳尔末线系的线具有相同质子数，不同中子数（或不同质量数）同一元素的不同核素互为同位素。氢原子核只有1个质子没有中子，氘D（又叫重氢）是氢的同位素，它的原子核由一个质子和一个中子组成。氘与氢具有相同的能级结构，因而光谱结构也相同，氢原子光谱的每一组谱线都是两条波长非常接近的谱线，一条是氢原子的谱线，一条是氘原子的谱线。氢原子和氘原子的巴耳末线系的头几条谱线的波长为：线线线线波长H：656.2486.13434.047410.174D：656.1486.01433.928410.0622．仪器组成：WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪，由光栅单色仪，接受单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体，由计算机对光谱仪进行扫描控制、信号解决和光谱显示。其工作原理如图4所示。光电信号光电信号前置放大器放大的光电信号增益控制信号系统控制信号光谱数字信号/变换/变换步进电机控制信号负高压控制信号负高压电源步进电机驱动电源负高压电子计算机步进电机驱动脉冲图4光谱仪的工作原理光谱仪的探测器为光电倍增管或CCD，用光电倍增管时，出射光通过狭缝S2到达光电倍增管。用CCD做探测器时，转动小平面反射镜M1，使出射光通过狭缝S3到达CCD，CCD可以同时探测某一个光谱范围内的光谱信号。光信号通过倍增管（或CCD）变为电信号后，一方面通过前置放大器放大，再通过A/D变换，将模拟量转变成数字量，最终由计算机解决显示。前置放大器的增益、光电倍增管的负高压和CCD的积分时间可以由控制软件根据需要设立。前置放大器的增益现为1，2，…，7七个档次，数越大放大器的增益越高。光电倍增管的负高压也分为1，2，…，7七个档次，数越大所加的负高压越高，每档之间负高压相差约200V。CCD的积分时间可以在10ms-40s之间任意改变。扫描控制是运用步进电机控制正弦机构（根据光栅方程，波长和光栅的转角成正弦关系，因此采用正弦机构。）中丝杠的转动，进而使光栅转动实现的。步进电机在输入一组电脉冲后，就可以转动一个角度，相应地丝杠上螺母就移动一个固定的距离。每输入一组脉冲，光栅的转动便使出射狭缝出射的光波长改变0.1nm。【实验环节】1．连接光栅光谱仪电源与计算机USB接口连线；2．打开光栅光谱仪电源开关，打开氢氘灯电源开关，氢氘灯对准WGD-8A型光栅光谱仪的物镜狭缝（狭缝宽度取50），光栅光谱仪上光电倍增管狭缝取10；3．运营WGD-8A倍增管系统软件，系统进行检索；4．设立系统参数：工作方式：模式――能量间隔――0.1nm工作范围：起始波长：400nm终止波长：660nm最大值：1000最小值：0工作状态：负高压：800V（手动调节光栅光谱仪电源上负高压调节旋钮至800V，此时软件调节不起作用，负高压越高，倍增管越灵敏）增益：3采集次数：205．数据扫描：单击“单程”选项，仪器开始扫描，计算机显示出氢原子和氘原子的可见光区域的巴尔末线系谱线，打印该光谱线图；6．分别定量测量氢原子和氘原子的巴耳末线系谱线（系统参数的选择参考表1）：将测量结果填入表1，并打印氢原子和氘原子的巴耳末线系谱线图。表1：氢原子和氘原子的巴耳末线系谱线波长原子谱线标准值（nm）选择参数测量结果（nm）工作方式工作范围工作状态采集次数模式间隔(nm)波长（nm）最大值最小值负高压增益氢656.2能量0.01655-65710000620V350氘656.1氢486.13能量0.01485-48710000750V350氘486.01氢434.047能量0.01432-43510000800V350氘433.928氢410.174能量0.01408-41210000900V350氘410.0627．根据测量得到的氢原子和氘原子的巴耳末线系谱线的波长，用线性拟合方法求出氢原子和氘原子的里德伯常数。附：根据，()用线性拟合求出和的方法：已测知：，，，根据：，则：，，，令：时，；时，；时，；时，；设拟合方程为：，其中，，()。依据最小二乘法得：，，，，4056.134代入解得：，，根据、、、和可推得：所以：，代入数据得：氢的里德伯常数。氘的里德伯常数：氢和氘的相应波长差为：由于：，所以，得：根据图3氢氘光谱巴耳尔末线系的线波长及氢的里德伯常数为：，，，代入上式得：。实验一(B)氢原子光谱的研究-用光学多道分析器研究氢原子光谱【目的规定】1．测定氢原子的巴耳末系发射光谱的波长和氢原子的里德伯常数。2．了解光学多道分析器的原理和使用方法。【仪器用品】汞灯,氢氘灯,WGD－6型光学多道分析器。【原理】光谱是研究物质微观结构的重要手段，它广泛地应用于化学分析、医药、生物、地质、冶金、考古等部门。常用的光谱有吸取光谱、发射光谱和散射光谱，波段从X射线、紫外线、可见光、红外光到微波和射频波段。本实验通过用光学多道分析器测量氢原子在可见波段的发射光谱，了解光谱与微观结构（能级）间的联系和掌握光谱测量的基本方法。1．氢原子光谱图1是氢原子的能级图，根据玻尔理论，氢原子的能级公式为：（n=1，2，3…）（1）图1氢原子的能级图式中称为约化质量，为电子质量，为原子核质量，氢原子的等于1836.15。图1氢原子的能级图电子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量为两能级间的能量差：（m>n）（2）如以波数表达，则上式为：（3）式中为氢原子的里德伯常数，单位是，称为光谱项，它与能级是相应的。从可得氢原子各能级的能量（4）式中h=4.13567×10-15eV·s，c=2.99792×108m从图1中可知，从至跃迁，光子波长位于可见光区，其光谱符合规律（m=3，4，5…）（5）这就是1885年巴耳末发现并总结的经验规律，称为巴耳末系。氢原子的莱曼系位于紫外，其他线系均位于红外。图2氢原子的巴耳末系光谱氢原子的巴耳末线系的头几条谱线的波长为：线线线线波长（nm）656.2486.13434.047410.1742．仪器组成：光学多道分析器是一台多功能光栅光谱仪，由光栅单色仪，CCD接受单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体，由计算机对光谱仪进行扫描控制、信号解决和光谱显示。光学多道检测系统的基本框图如图3所示。图3光学多道分析器框图入射光经多色仪色散后在其出射窗口形成λ1-λ2的谱带。位于出射窗口的多通道光电探测器将谱带的强度分布转变为电荷强弱的分布，由信号解决系统扫描、读出、经A/D变换后存储并显示在计算机上。光学多道分析器的优点是所有的像元（N个）同时曝光，整个光谱可同时取得，比一般的单通道光谱系统检测同一波段的总时间快N倍。在摄取一段光谱的过程中不需要谱仪进行机械扫描，不存在由于机械系统引起的波长不反复的误差，减少了光源强度不稳定引起的谱线相对强度误差，可测量光谱变化的动态过程。多色仪及光源部分的光路见图4。光源S经透镜L成像于多色仪的入射狭缝S1，入射光经平面反射镜M1转向90°，再经球面反射镜M2反射后成为平行光射向平面衍射光栅G。衍射后的平行光束经球面反射镜M3和平面镜M4成像于观测屏P。由于各波长光的衍射角不同，P处形成以一波长λ0为中心的一条光谱带，观测者可在P上直观地观测到光谱。转动光栅G可改变中心波长，整条谱带也随之移动。多色仪上有显示中心波长的波长计。转开平面镜M4，可使M3直接成像于光电探测器CCD上，它测量的谱段与观测屏P上看到的完全一致。图4多色仪光学原理图CCD是电荷耦合器件（Charge-CoupledDevice）的简称，是一种以电荷量表达光强大小，用耦合方式传输电荷量的器件，它具有自扫描、光谱范围宽、动态范围大、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高等优点。将CCD一维线阵放在光谱面上，一次曝光就可获得整个光谱。目前，二维面阵CCD已大量用于摄像机和数字照相机。图5CCD示意图衬底是P型Si，硅表面是一层二氧化硅薄膜，膜上是一层金属作电极，这样硅和金属之间形成一个小电容。假如金属电极置于高电位，在金属面积累了一层正电荷，P型半导体中带正电荷的空穴被排斥，只剩下不能移动的带负电荷的受主杂质离子，形成一耗尽层，受主杂质离子因不能自由移动对导电作用没有任何奉献。在耗尽区内或附近，由于电子的作用产生电子-空穴对，电子被吸引到半导体与SiO2绝缘体的界面形成电荷包，这些电子是可以传导的。电荷包中电子的数目与入射光强和曝光时间成正比，很多排列整齐的CCD像元组成一维或二维CCD陈列，曝光后一帧光强分布图将成为一帧电荷分布图。仪器采用的是有2048个像元的CCD一维线阵，其光谱响应范围为200-1000nm，响应峰值在550nm，动态范围大于210。每个像元的尺寸为14μm×14μm，像元中心距为14μm，像敏区总长为28.672mm。多色仪中M2，M3的焦距为302mm，光栅常数为1/600mm，在可见光区的线色散Δλ/Δl（光谱面上单位宽度相应的波长范围）约为5.55nm/mm，由此可知CCD一次测量的光谱范围为5.55×28.67约为159nm。光谱分辨率即两个像元之间波长相差约0.077nm。在OMA中每个像元称为一“道”，本实验的系统是2048道每次采样（曝光）后，每个像元内的电荷在时钟脉冲的控制下顺序输出，经放大、模数（A/D）转换，将电荷量即光强顺序存入采集系统（微机）的存储器，经微机解决后，在显示器上就可以看到光谱图。移动光谱图上的光标，屏上即显示出光标所处的道数和相对光强值。【实验环节】由于线的波长为656.28nm，线为410.17nm，波长间隔达246nm。超过CCD一次测量的光谱范围159nm的范围，所以要分两次测量。测量线（波长为656.28nm）时的波长时，采用汞灯的（546.07nm，576.96nm，579.07nm）三条谱线作为标准谱线来定标；测量，，线（波长分别为486.13nm，434.047nm，410.174nm）的波长时，采用汞灯的（404.66nm，407.78nm，435.84nm）三条谱线作为标准谱线来定标。图6汞光谱线序号波长nm相对强度序号波长nm相对强度序号波长nm相对强度1365.02458.94404.66893.87546.07893.52365.46160.25407.7886.98576.96113.33366.30109.96435.84996.39579.07101.3启动计算机，打开WGD-6型光栅光谱仪电源，运营Wgd-6型光学多道分析器控制解决程序。设立工作参数：暴光时间（采集谱线的积分时间）：选择暴光时间为10。（方法：用鼠标左键选中暴光时间调节窗口上，通过方向键“→”或“←”增长或减少暴光时间）平均次数（对谱线数据进行平均的次数）：选择平均次数为1。累加次数（对谱线进行多次采集进行累加的次数）：选择累加次数为1。（增长曝光时间、平均次数和累加次数可增长信噪比和提高弱峰的计数。）最大值（坐标显示的谱线相对光强的最大值）：选择最大值为5000。最小值（坐标显示的谱线相对光强的最小值）：选择最小值为1。测量，，的波长。定标：①将光学多道分析器中心波长调到450nm：单击任务栏中“检索”，在出现的对话框中的当前位置波长处，键入450，单击“拟定”。②调节光源与多色仪共轴：将低压汞灯与汞（钠）灯电源连接，打开电源电亮汞灯，将汞灯光源对准多色仪的入射狭缝，调节汞灯与多色仪，将多色仪观测转换扳手放在“观测缝”档，在观测屏P上观测谱线，直到看到清楚、明亮的紫色（435.84nm）水银谱线，使汞灯光源与多色仪共轴。③将多色仪观测转换扳手放在“CCD”档，即转动M4使光谱照到CCD上，单击任务栏中“时实”，屏幕上会出现汞的谱线，由于谱线强度不同，对不同的谱线可选用不同的狭缝宽度。调节入射狭缝宽度，可获得清楚、锋利的三条谱线（404.66nm，407.78nm，435.84nm）。④用汞的404.66nm，407.78nm，435.84nm三条标准谱线定标，使横坐标表达波长（nm）。在出现汞的清楚、锋利的三条谱线后，单击任务栏中“数据解决”，在下拉菜单中选择“手动定标”，此时光标变成十字形状，将光标移到第一条光谱线上，此时光标变成红色的““形状，运用键盘上的方向键将光标移到该谱线的最高处，单击“回车”键，在出现的对话框中波长处输入404.66。点击对话框中“添加下一点“选项，光标又变成十字形状，再将光标移到第二条光谱线上的最高处，单击“回车”键，在出现的对话框中波长处输入407.78，再点击对话框中“添加下一点”选项，将光标移到第三条光谱线上的最高处，单击“回车”键，在对话框中波长处输入435.84，点击对话框中“添加定标”选项，在出现的最小二乘法定标对话框中，选“线性定标”选项，关闭对话框，此时横坐标表达波长（nm）。关闭汞灯，完毕定标工作。测量，，的波长。将氢氘灯电源与氢氘灯连接，打开氢氘灯电源，点亮氢灯，单击任务栏中“时实”，屏幕上会出现氢的，，三条谱线，调节氢灯的位置，使谱线强度为最强。单击任务栏中“数据解决”，在下拉菜单中选择“读取谱线数据”选项，光标变成十字形状，将光标移到所测的光谱线上的最高处，读出该谱线的波长并记录到表格中。测量线的波长。将多色仪的中心波长调至600nm，用汞灯的（546.07nm，576.96nm，579.07nm）三条谱线定标后，再测出线的波长并记录到表格中。列表HαHβHγHδλ/nm/m-1RH/m－1根据式5求出RH。根据式4画出n=1,2,3…6及n及∞的能级图，单位用eV，小数后2位，并标出Hα，Hβ，Hγ，Hδ，各线是相应哪两个能级的跃迁。实验二微波基本参数的测量【目的规定】学习微波的基本知识，了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用；了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术；掌握驻波测量线的对的使用方法；掌握电压驻波系数的测量原理和方法。【仪器用品】微波参数测试系统，涉及：三厘米固态信号源，三厘米驻波测量线，选频放大器，精密衰减器，隔离器，谐振式频率计（波长表），匹配负载，晶体检波器，单螺调配器等。【原理】微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无线电波的不同。从图1可以看出，微波的频率范围是处在光波和广播电视所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者。与无线电波相比，微波有下述几个重要特点图1电磁波的分类1．波长短(1m—1mm)：具有直线传播的特性，运用这个特点，就能在微波波段制成方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的薄弱信号，从而拟定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用。2．频率高：微波的电磁振荡周期(10-9一10-12s)很短，已经和电子管中电子在电极间的飞越时间(约10-9s)可以比拟，甚至还小，因此普通电子管不能再用作微波器件(振荡器、放大器和检波器)中，而必须采用原理完全不同的微波电子管(速调管、磁控管和行波管等)、微波固体器件和量子器件来代替。此外，微波传输线、微波元件和微波测量设备的线度与波长具有相近的数量级，在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻、电容、电感等元件都不再合用，也必须用原理完全不同的微波元件(波导管、波导元件、谐振腔等)来代替。3．微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量。4．量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6～10-3eV，而许多原子和分子发射和吸取的电磁波的波长也正好处在微波波段内。人们运用这一特点来研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟，原子钟。5．能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯，宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前程。综上所述微波具有自己的特点，不管在解决问题时运用的概念和方法上，还是在实际应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同。微波实验是近代物理实验的重要组成部分。在微波波段，随着工作频率的升高，导线的趋肤效应和辐射效应增大，使得普通的导线不能完全传输微波能量，而必须改用微波传输线。常用的微波传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线、金属波导管及介质波导等多种形式的传输线，本实验用的是矩形波导管，波导是指可以引导电磁波沿一定方向传输能量的传输线。根据电磁场的普遍规律——Maxwell方程组以及具体波导的边界条件，可以严格求解出只有两大类波可以在矩形波导中传播：①横电波（又称为磁波），简写为TE波（或H波），磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量。②横磁波（又称为电波），简写为TM波（或E波），电场可以有纵向和横向的分量，但磁场只有横向分量。在实际应用中，一般让波导中存在一种波型，并且只传输一种波型，本实验采用TE10波，是矩形波导中常用的一种波型。TE10型波：在一个均匀、无限长和无耗的矩形波导中，沿z方向传播的TE10型波的各个场分量为，，，，，其中：为电磁波的角频率，，是微波频率；:波导截面宽边的长度；：微波沿传输方向的相位常数；：波导波长（在波导管里面，某些特定波长的电磁波与波导谐振，其中最长的一个波长被称为波导的特性波长，也称波导波长），：微波在自由空间波长。以上表白，TE10波具有如下特点：①存在一个临界波长，（矩形波导中传播的TE波和TM波，都有一定的“临界波长”，能在矩形波导中传播的波长最长的电磁波的波长称为波导管的临界波长）。只有波长的电磁波才干在波导管中传播②，即波导波长λg大于自由空间波长λ，（TE波和TM波在波导中的波长用表达）。波导内由入射波与反射波叠加而成的合成波，其相平面传播的速度称为相速，群速是表达能量沿波导纵向传播的速度，其关系为。由于，波导中电磁波是成“之”字形并以光速传播的，所以，波导波长将大于自由空间的波长。图1电磁波在波导中的传播③电场只存在横向分量，电力线从一个导体壁出发，终止在另一个导体壁上，并且始终平行于波导的窄边（坐标xyz的x轴沿波导横截面的宽边，y轴沿波导横截面的窄边，z轴沿波导的纵方向）。④磁场既有横向分量，也有纵向分量，磁力线围绕电力线。⑤电磁场在波导的纵方向(z)上形成行波。在z方向上，和的分布规律相同，也就是说最大处也最大，为零处也为零，场的这种结构是行波的特点。图2TE10波的电磁场结构（a）,（b）,(c)及波导壁电流分布(d)波导管的工作状态：（1）假如波导终端负载是匹配的（波导终端接入负载后，由于负载性质的不同，电磁波就将在终端产生不同限度的反射。假如用表达传输线的特性阻抗，用表达负载阻抗,若波导终端负载是匹配的，则＝），则入射波所有被负载吸取而无反射，传播到终端的电磁波的所有能量所有被吸取，这时波导中呈现的是行波，即此时波导管中的微波的将沿波导管无损耗的向前传播，传播时波的幅值不衰减，能量不衰减，就像在真空中传播同样，见图3（a）。（2）当终端短路（微波技术中的短路是指系统终端接入全反射负载，即：）时，入射波被负载所有反射。这时波导管中同时有两列频率相同、振幅相同、传播方向相反的微波，一列是入射波，一列是反射波，这两列波将在波导管中形成驻波，并且是“纯驻波”，波的波腹和波节点电场E的大小0，而＝0，见图3（C）。（3）当波导终端不匹配时（任意负载下），就有一部分波被反射（波导中的任何不均匀性也会产生反射），形成所谓混合波。混合波是一种“行驻波”，波的波腹和波节点电场E的大小0，并且0，见图3（b）。为描述电磁波，引入反射系数与驻波比的概念，反射系数定义为。驻波比定义为：，用驻波比来描述传输线阻抗匹配的情况。其中：和分别为波腹（驻波电场最大值处）和波节（驻波电场最小值处）点电场E的大小。不难看出：对于行波，=1；对于驻波，=∞；而当1<<∞，是混合波。图3为行波、混合波和驻波的振幅分布波示意图。图3（a）行波,（b）混合波,(c)驻波微波系统中最基本的参数有频率、驻波比、功率等。而阻抗、波长、驻波比和功率等微波参数的测量方法有其独特之处。微波阻抗的测量是通过检测电场强度的相对值（即：驻波比）来实现。波长的测量可用谐振腔来进行（即通常所称的“吸取式波长计”）。功率的测量是运用微波的热效应，通过热电换能器进行间接的量测。本实验是使用厘米波中的X波段，其标称波长为3.2cm，中心频率为9375MHz。其它重要设备有：测量线：三厘米驻波测量线由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。其内腔尺寸为a＝22.86mm，b＝10.16mm。其主模频率范围为8.60～9.6.GHz，对于TE10波而言，截止波长＝45.72mm，截止频率为6.557GHz。开槽直波导位于波导宽边的正中央，平行于波导轴线，不切割高频电流，因此对波导内的电磁场分布影响很小，开槽波导中的场由不调谐探针取样，探针感应出的电动势通过晶体检波器变成电信号输出，可以显示沿波导轴线的电磁场变化信息。实验中就是通过探测测量线中电磁场的分布达成测量微波的各种参数目的。图4DH364A00型3cm直波导管：型号为BJ—100，其内腔尺寸为a＝22.86mm，b＝10.16mm。其主模频率范围为8.20～12.50GHz，对于TE10波而言，截止波长＝45.72mm，截止频率为6.557GHz，实验中作为连接件使用。隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸取，通过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性。实验中隔离器用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。可变衰减器：把一片能吸取微波能量的吸取片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸取片可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。波长表：电磁波通过耦合孔从波导进入波长表的空腔中，当波长表的腔体失谐时，腔里的电磁场极为薄弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输。当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振波长。匹配负载：波导中装有很好地吸取微波能量的电阻片或吸取材料，它几乎能所有吸取入射功率。单螺调配器：插入矩形波导中的一个深度可以调节的螺钉，并沿着矩形波导宽壁中心的无辐射缝作纵向移动，通过调节探针的位置使负载与传输线达成匹配状态。调匹配过程的实质，就是使调配器产生一个反射波，其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等而相位相反，从而抵消失配元件在系统中引起的反射而达成匹配。【实验环节】驻波比的测量：小驻波比(1．05<<1.5)的测量产生驻波的因素是由于负载阻抗与波导特性阻抗不匹配。因此，通过对驻波比的测量，就能检查系统的匹配情况，进而明确负载的性质。驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量可以测出阻抗、波长、相位和Q值等其他参量。本实验是在小信号状态下进行测试的，这时驻波测量线中的检波晶体二极管工作在平方律检波区域，检波电流，可设：，因此：通过测量测量线开槽波导中微波驻波波腹处和波节处的最大电压值及最小电压值，就可以计算出波导中微波驻波的驻波比。环节：（1）按图5所示的框图连接成微波实验系统。图5驻波测量框图（2）启动微波信号源（DH1121C），工作方式选择“方波”，点频方式，频率9～9.5GHz，选择较小的微波输出功率，电流<500mA。（3）用选频放大器进行监测，调节单螺调配器，使微波在波导中形成小驻波比（驻波的最大值和最小值相差不大）的驻波。（4）移动波导测量线的探针测出波导测量线位于波腹和波节点上的和。由于此时驻波的最大值和最小值相差不大，且不锋利，不易测准，为了提高测量准确度，可移动探针到几个波腹点和波节点记录数据，然后取平均值再进行计算。2．频率测量（谐振腔法）：环节：（1）按图5所示的框图连接成微波实验系统。（2）启动微波信号源（DH1121C），工作方式选择“方波”，点频方式，频率9～9.5GHz，选择较小的微波输出功率，电流<500mA。（3）用选频放大器进行监测，调节单螺调配器，并移动波导测量线的探针位于波导测量线中任一个位置上，使选频放大器有指示。（4）旋转波长表的测微头，当波长表与波导中被测微波的频率谐振（即波长表的空腔所相应的固有谐振频率与波导中被测微波的频率相等）时，将出现吸取峰，反映在选频放大器上的指示是一跌落点（参见图6），此时，读出波长表的读数，再从波长表频率与刻度曲线上查出相应的频率。图6波长表的谐振点曲线3．波导波长的测量：当波导终端不匹配时（任意负载下），就有一部分波被反射，在测量线中入射的微波与反射的微波叠加形成所谓混合波，混合波是一种“行驻波”，驻波的波腹和波节点的电场0，0，只要测得驻波相邻节点的位置，由，即可求得测量线波导中的微波波长。图7电场沿测量线分布图为了提高测量精度，在拟定期，可采用等指示度法测出最小点相应的（参看图7），测出与（略大于）相相应的两个位置，则，同理，也可求出来，代入即可求出精度较高的。环节：（1）按图5所示的框图连接成微波实验系统。（2）启动微波信号源（DH1121C），工作方式选择“方波”，点频方式，频率9～9.5GHz，选择较小的微波输出功率，电流<500mA。（3）调节单螺调配器，使测量线中形成驻波（事实上是大驻波比的驻波－混合波）。（4）用测量线和选频放大器测量和，算出测量线波导中的微波波长。实验三电子顺磁共振实验【目的规定】测定DPPH中电子的g因数；测定共振线宽，拟定弛豫时间T2；掌握电子自旋实验仪的原理及使用。【仪器用品】电子自旋实验仪。【原理】电子自旋的概念一方面由Pauli于1924年提出。1925年S．A．Goudsmit与G．Uhlenbeek运用这个概念解释某些光谱的精细结构。近代观测核自旋共振技术，由Stanford大学的Bloch与Harvrd大学的Pound同时于1946年独立设计制作，遂后用它去观测电子自旋。本实验的目的是观测电子自旋共振现象，测量DPPH中电子的g因数及共振线宽。一．电子的轨道磁矩与自旋磁矩由原子物理可知，对于原子中电子的轨道运动，与它相应的轨道磁矩为（2－1）式中为电子轨道运动的角动量，e为电子电荷，为电子质量，负号表达由于电子带负电，其轨道磁矩方向与轨道角动量的方向相反，其数值大小分别为，原子中电子除轨道运动外还存在自旋运动。根据狄拉克提出的电子的相对论性波动方程——狄拉克方程，电子自旋运动的量子数S＝l／2，自旋运动角动量与自旋磁矩之（2－2）其数值大小分别为，比较式（2－2）和（2—1）可知，自旋运动电子磁矩与角动量之间的比值是轨道运动磁矩与角动量之间的比值的二倍。原子中电子的轨道磁矩与自旋磁矩合成原子的总磁矩。对于单电子的原子，总磁矩与角动量之间有（2－3）其中（2－4）g称为朗德g因数。由式（2－4）可知，对于单纯轨道运动g因数等于1；对于单纯自旋运动g因数等于2。引入回磁比，即（2－5）其中（2－6）在外磁场中，和的空间取向都是量子化的。在外磁场方向上的投影为，相应的磁矩在外磁场方向上的投影为，（2－7）称为玻尔磁子，电子的磁矩通常都用玻尔磁子作单位来量度。二．电子顺磁共振（电子自旋共振）既然总磁矩的空间取向是量子化的，磁矩与外磁场B的互相作用能也是不连续的。其相应的能量为（2－8）不同磁量子数m所相应的状态上的电子具有不同的能量。各磁能级是等距分裂的，两相邻磁能级之间的能量差为（2－9）当垂直于恒定磁场B的平面上同时存在一个交变的电磁场B1，且其角频率满足条件：，即 （2一10）时，电子在相邻的磁能级之间将发生磁偶极共振跃迁。从上述分析可知，这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振。三．电子顺磁共振研究的对象对于许多原子来说，其基态，有固有磁矩，能观测到顺磁共振现象。但是当原子结合成分子和固体时，却很难找到的电子状态，这是由于具有惰性气体结构的离子晶体以及靠电子配对偶合而成的共价键晶体都形成饱和的满壳层电子结构而没有固有磁矩。此外在分子和固体中，电子轨道运动的角动量通常是猝灭的，即作一级近似时为0。这是由于受到原子外部电荷的作用，使电子轨道平面发生进动，l的平均值为0，所以分子和固体中的磁矩重要是由旋磁矩的奉献。故电子顺磁共振又称电子自旋共振。根据Pauli原理，一个电子轨道至多只能容纳两个自旋相反的电子，所以假如所有的电子都已成对地填满了电子，他们的自旋磁矩完全抵消，这时没有固有的磁矩，电子轨道至多只能容纳两个自旋相反的电子，所以假如所有的电子轨道都已成对地填满了电子，它们的自旋磁矩完全抵消，这时没有固有磁矩，我们通常所见的化合物大多属于这种情形。电子自旋共振不能研究上述逆磁性的化合物，它只能研究具有未成对的电子的特殊化合物，如化学上的自由基（即分子中具有一个未成对的电子的化合物）、过渡金属离子和稀土元素离子及它们的化合物、同体中的杂质和缺陷等。实际的顺磁物质中，由于四周晶体场的影响、电子自旋与轨道运动之间的耦合、电子自旋与核磁矩之间的互相作用使得g因数的数值有一个大的变化范围，并使电子自旋共振的图谱出现复杂的结构。对于自由电子，它只具有自旋角动量而没有轨道角动量，或者说它的轨道完全猝灭了，自由电子的g值为2.0023。本实验用的顺磁物质为DPPH（二笨基-苦基肼基）。其分子式为（C6H5）2N-NC6H2(NO2)3，结构式为它的一个氮原子上有一个未成对的电子，构成有机自由基。实验表白，化学上的自由基其g致使分接近自由电子的g值。四．电子自旋共振与核磁共振的比较由于电子磁矩比核磁矩要大三个数量级（核磁子是波尔磁子的1／1848）。在同样磁场强度下，电子塞曼能级之间的间距比之核塞曼能级之间的间距要大得多，根据玻耳兹曼分布律，上、下能级间粒子数的差额也大得多，所以电子自旋共振的信号比之核磁共振的信号要大得多。当磁感应强度为0.1一1T时，核磁共振发生在射频范围，电子自旋共振则发生在微波频率范围。对于电子自旋共振，即使在较弱的磁场下（lmT左右）；在射频范围也能观测到电子自旋共振现象。本实验就是在弱场下，用很简朴的实验装置观测电子自旋共振现象。由于电子磁矩比之核磁矩要大得多，自旋一晶格和自旋一自旋耦合所导致的弛豫作用较之核磁共振中也大得多，所以一般谱线较宽。此外由于电子磁矩较大，相称于样品中存在许多小磁体，每个小磁体除了处在外磁场B之中还处在由其他小磁体所形成的局部磁场B′中。不同自旋粒子的排列不同，所处的局部场B′也不同，即B′有一个分布，它的作用也会增大共振线宽。在固体样品中这种情况更为突出。为了加大驰像时间，减小线宽，提高谱仪的分辨本领，可以减少样品温度，加大样品中顺磁离子之间的距离。对于晶体样品可用同晶形的逆磁材料去稀释顺磁性离子。五．实验装置实验装置如图2－l。它由螺线管磁场及其电源、数字万用表、扫场线圈及其电源、探头（涉及样品）、边限振荡器、数字频率计、示波器等构成。稳压电源提供螺线管所需电流，其大小有数字万用表测量。螺线管磁场位于铅垂方向，样品置于螺线管磁场轴线的中点位置上，螺线管磁场B的计算公式如下（见图2－2）(特斯拉)（2－11）式中n的单位：匝/m的单位：A。边限振荡器同实验一。边限振荡器、旋转磁场B1的产生、扫场信号的作用请参看实验一实验装置（二）、（三）、（四）的有关部分。边限振荡器的线圈（样品置于其中）其轴线方向应与螺线管的轴线垂直，使射频磁场B1的方向与螺线管磁场B0垂直。边限振荡器的振荡振幅非常薄弱，共振时，样品吸取射频场能量，过限振荡器的振幅将减小。该信号检波后输入示波器的Y轴。在螺线管磁场上还叠加上一个调场线圈，由市电经变压器提供50Hz扫场信号。图2—1电子自旋实验装置图2—2螺线管轴线处磁场的计算当扫场信号扫过共振区时，将在示波器上观测到图2－3所示的共振吸取信号，图中v为边限振荡器检波输出信号。频率计用以测量边限振荡器的频率用示波器观测电子自旋共振信号时，X轴扫描信号可以用示波器的内扫描，也可以用扫场信号。为了使输入示波器X轴端的信号与扫场线圈中的电流（即扫场磁场）同位相，在扫场线圈的电源部分安顿了一个相移器（图2－4）。调节电阻R的大小，使输入示波器X轴的信号与扫场磁场的变化同相位。（请考虑这时示波器观测到的共振吸取图形有什么特点。）图2—3电子自旋共振信号图2—4扫场部分的移相电路六、实验内容（一）测定DPPH中电子的g因数1.测定边限振荡器的频率根据公式（2－10），共振时有对于自由电子，。根据式（2－11）估计螺线管的电流要多大才干出现共振。2．加上扫场信号，（为什么？）用示波器内扫描观测共振信号。（1）改变螺线管磁场B的大小，解释尔波器上观测到的共振图形所发生的变化。（2）存在扫场信号时，如何测定共振频率所相应的螺线管磁场B。的大小？（3）改变螺线管供电电流的极性，解释出现的现象。【提醒】地磁场的垂直分量在起作用，可设法消除地磁场垂直分量的影响。设改变螺线管供电电流极性，两次测得的共振磁场分别为B1和B。（取与同方向为正值），若地磁场的水平分量地=0，则有，所以3．取扫场用的正弦电压（交流50周），做为示波器的扫描信号。调节RC相移电路，使扫描信号与扫场磁场的变化同相位。（如何判断？）（l）改变螺线管磁场B的大小，解释示波器上观测到图2－5共振线宽的测定的共振图形的变化。（2）如何测定共振频率所相应的螺线管磁场B0的大小？（3）改变扫场信号大小，通过实验可以知道，减小扫场电流可以把B0测得精确些。注意观测扫场信号大小不同对数字万用表所测得的螺线管电流读数的影响，并解释其因素。（4）与环节2比较，哪种扫描方式测得的B0误差更小些。4．改变边限振荡器的频率，在其频率允许变化的范围内验证公式（2－10）。运用最小二乘法，直线拟合求g因数。5．选做：实验测得地磁场的水平分量地（南北向）约为0.033mT左右。试估计它对测得g因数大小的影响。（二）测定共振线宽，拟定弛豫时间T2用扫场信号作示波器扫描信号，可得到如图2－5所示图形。测定吸取峰的半宽度（或），根据公式（l－7）有：，，测定弛豫时间T2的大小。【实验环节】一；磁场调节1：磁场调至最低2：扫场调至最大（扭到头）3：打倒检波状态二：寻找共振点1：信号源频率固定9.37GHz相应3.679（目的是通过探针内面积来改变频率（用等幅波来调节）2：检波指使器上指针控制在（1/2-------------3/4）之间，但不一定必须在这区间3：探针把样品放在磁场中心位置（大约在90左右）4：缓慢旋转活塞找到共振点（看指示器，找到潜振点）5：打倒扫场状态，加磁场电流增大（1.7—1.8或2.0左右），此时出现共振信号三：微调出现后，轻微调节测微头，调节单路调配器，样品在磁场中的位置（微调活塞一点）使信号最佳实验四全息照相实验【目的规定】了解全息照相记录和再现的基本原理；掌握漫反射全息照片的摄制方法及加深对全息照片特点的理解。【仪器用品】JQX－1型激光全息实验台，He-Ne激光器，分束镜（50％）一个，扩束镜（40倍）两个，全反射镜两个，被摄物体（如：小瓷猪，小瓷马等）及放置物体的底座，全息干版及底架，暗室技术使用的设备。【原理】普通照相底片上所记录的图象只反映了物体上各点发光（辐射光或反射光）的强弱变化，也就是只记录了物光的振幅信息，于是，在照相纸上显示的只是物体的二维平面像，丧失了物体的三维特性。全息照相则不同，它是借助于相干的参考光束和物光束互相干涉来记录物光振幅和相位的所有信息。这样的照相把物光束的振幅和相位两种信息所有记录下来，因而称为全息照相。 全息照相的基本原理早在1948年就由伽伯（D.Gabor）发现，但是由于受光源的限制（全息照相规定光源有很好的时间相干性和空间相干性），在激光出现以前，对全息技术的研究进展缓慢，在60年代激光出现以后，全息技术得到了迅速的发展。目前，全息技术在干涉计量、信息存储、光学滤波以及光学模拟计算等方面得到了越来越广泛的应用。伽伯也因此而获得了1971年度的诺贝尔物理学奖。（一）、全息照相与全息照相术在介绍全息照相的基本原理之前，一方面看一下全息照相和普通照相有什么区别。总的来说，全息照相和普通照相的原理完全不同。普通照相通常是通过照相机物镜成像，在感光底片平面上将物体发出的或它散射的光波（通常称为物光）的强度分布（即振幅分布）记录下来，由于底片上的感光物质只对光的强度有响应，对相位分布不起作用，所以在照相过程中把光波的位相分布这个重要的信息丢失了。因而，在所得到的照片中，物体的三维特性消失，不再存在视差，改变观测角度时，并不能看到像的不同侧面。图1波前干涉实物光路图全息技术则完全不同，由全息术所产生的像是完全逼真的立体像（由于同时记录下了物光的强度分布和位相分布，即所有信息），当以不同的角度观测时，就象观测一个真实的物体同样，可以看到像的不同侧面，也能在不同的距离聚焦。全息照相在记录物光的相位和强度分布时，运用了光的干涉。从光的干涉原理可知：当两束相干光波相遇，发生干涉叠加时，其合强度不仅依赖于每一束光各自的强度，同时也依赖于这两束光波之间的相位差。在全息照相中就是引进了一束与物光相干的参考光，使这两束光在感光底片处发生干涉叠加，感光底片将与物光有关的振幅和位相分别以干涉条纹的反差和条纹的间隔形式记录下来，通过适当的解决，便得到一张全息照片。具体来说，全息照相涉及以下两个过程：1、波前的全息记录运用干涉的方法记录物体散射的光波在某一个波前平面上的复振幅分布，这就是波前的全息记录。通过干涉方法可以把物体光波在某波前的位相分布转换成光强分布，从而被照相底片记录下来，由于我们知道，两个干涉光波的振幅比和位相差决定着干涉条纹的强度分布，所以在干涉条纹中就包含了物光波的振幅和位相信息。典型的全息记录装置如图2所示：从激光器发出的相干光波被分束镜提成两束，一束经反射、扩束后照在被摄物体上，经物体的反射或透射的光再射到感光底片上，这束光称为物光波；另一束经反射、扩束后直接照射在感光底片上，这束光称为参考光波。由于这两束光是相干的，所以在感光底片上就形成并记录了明暗相间的干涉条纹。干涉条纹的形状和疏密反映了物光的位相分布的情况，而条纹明暗的反差反映了物光的振幅，感光底片上将物光的信息都记录下来了，通过显影、定影解决后，便形成与光栅相似结构的全息图—全息照片。所以全息图不是别的，正是参考光波和物光波干涉图样的记录。显然，全息照片自身和本来物体没有任何相似之处。图2漫反射全息光路图2、衍射再现物光波前的再现运用了光波的衍射，如图3所示。用一束参考光（在大多数情况下是与记录全息图时用的参考光波完全相同）照射在全息图上，就仿佛在一块复杂光栅上发生衍射，在衍射光波中将包具有本来的物光波，因此当观测者迎着物光波方向观测时，便可看到物体的再现像。这是一个虚像，它具有原始物体的一切特性。此外尚有一个实像，称为共轭像。应当指出，共轭波所形成的实像的三维结构与原物并不完全相似。图3衍射再现图示（二）、全息照相的重要特点和应用全息照片具有许多有趣的特点：1、片上的花纹与被摄物体无任何相似之处，在相干光束的照射下，物体图像却能如实重现。2、立体感很明显（三维再现性），如某些隐藏在物体背后的东西，只要把头偏移一下，也可以看到。视差效应很明显。3、全息图打坏后，只要任取一小片，照样可以用来重现物光波。如同通过小窗口观测物体那样，仍能看到物体的全貌。这是由于全息图上的每一个小的局部都完整地记录了整个物体的信息（每个物点发出的球面光波都照亮整个感光底片，并与参考光波在整个底片上发生干涉，因而整个底片上都留下了这个物点的信息）。当然，由于受光面积减少，成像光束的强度要相应地减弱；并且由于全息图变小，边沿的衍射效应增强而必然会导致像质的下降。4、在同一张照片上，可以重叠数个不同的全息图。在记录时或改变物光与参考光之间的夹角，或改变物体的位置，或改变被摄的物体等等，一一曝光之后再进行显影与定影，再现时能一一重现各个不同的图像。由于具有这些特点，全息照相术现在已经得到了广泛的应用。如前面提到的全息信息存储和全息干涉分析就是分别应用了所述的第三和第四个特点。四、实验条件 为了实现全息照相，实验装置必须具有下述的三个基本条件：1、一个好的相干光源。全息原理在1948年就已提出，但由于没有合适的光源而难以实现。激光的出现为全息照相提供了一个抱负的光源，这是由于激光具有很好的空间相干性和时间相干性。本实验用多纵模He-Ne激光器，其波长为632.8nm，其相干长度约为20cm。为了保证物光和参考光之间良好的相干性，应尽也许使两光束的光程接近，一般规定光程差不超过4cm，以使光程差在激光的相干长度内。一个稳定性较好的防震台。由于全息底片上所记录的干涉条纹很细，相当于波长量级，在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊，不能形成全息图，因此规定整个光学系统的稳定性良好。从布拉格法则可知：条纹宽度，由此公式可以估计一下条纹的宽度。当物光与参考光之间的夹角时，，则。可见，在记录时条纹或底片移动1m，将不能成功地得到全息图。因此在记录过程中，光路中各个光学元件（涉及光源和被摄物体）都必须牢牢固定在防震台上。从公式可知，当角减小时，d增长，抗干扰性增强。但考虑到再现时使衍射光和零级衍射光能分得开一些，角要大于300，一般取450左右。尚有适当缩短曝光时间，保持环境安静都是有助于记录的。3、高分辨率的感光底片。普通感光底片由于银化合物的颗粒较粗，每毫米只能记录几十至几百条，不能用来记录全息照相的细密干涉条纹，必须采用高分辨率的感光底片（一般采用条纹宽度d的倒数表达空间频率或感光材料的分辨率）。我们采用的是天津感光胶片厂出品的GS-I型红光干版。其极限分辨率为3000条每毫米。其实，要获得最终的全息图，充足了解和学习感光底片的显影、定影、冲洗等有关摄影的暗室技术知识也是不可缺少的。【实验环节】（一）全息记录调节防震台。分别对三个低压囊式空气弹簧充气，注意三个气囊充其量要大体相同，然后成等腰三角形放置，气嘴应向外。然后再把钢板压上。用水平仪测量钢板的水平度，假如不平，可稍稍放掉一些某个气囊中的空气，直到调平为止。打开激光器，参照图1、2摆好光路，使光路系统满足下列规定：（1）物光和参考光的光程大体相等；（2）经扩束镜扩展后的参考光应均匀照在整个底片上，被摄物体各部分也应得到较均匀照明。（3）使两光束在底片处重叠时之间的夹角小于30度为宜。（4）在底片处物光和参考光的光强比约为1:2～1:6，具体要视情况而定。关上照明灯（可开暗绿灯），拟定曝光时间，调好定期曝光器。可以先练习一下快门的使用。关闭快门挡住激光，将底片从暗室中取出装在底片架上，应注意使乳胶面对着光的入射方向。静置三分钟后进行曝光。曝光过程中绝对不准触及防震台，并保持室内安静。显影及定影。显影液采用D－19，定影液采用F－5。