近代物理实验

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。磁谱仪测量原理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mvmp201c2mcE)111(220202cmcmmcEK2mc200cmE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：102202022202121)211(mpvmcmcvcmEK20420220cmcmPCEEEk20222EpcE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1.测量快速电子的动量。2.测量快速电子的动能。3.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Ｆ-Ｈ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Ｅ1，第一激发态的能量为Ｅ2，初速为零的电子在电位差为Ｕ0的加速电场作用下，获得能量为ｅＵ0，具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能量ｅＵ0＜Ｅ2－Ｅ1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ｅＵ0≥Ｅ2-Ｅ1＝ΔＥ，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ΔＥ，而由基态跃迁到第一激发态，ｅＵ0＝ΔＥ。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ＩA～ＵGK曲线图对于氩，曲线上相邻两峰(或谷)对应的ＵGK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Ｆ-Ｈ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（11.55Ｖ）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4022nn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)()(222012114141nHnR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)(2234220121)1(2)4(11nchmeMm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01)1(MmHRR实验三氢原子光谱的研究1)1(MmHRR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chmeR342202)4(1目前的公认为1)013.0534.10973731(mR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xdFHeFeFe121实验三氢原子光谱的研究1、拟订摄谱计划。22、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。BmeMgE2JJJM,),1(,)1(2)1()1()1(1JJSSLLJJg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：2E1E)(112EEhv122J121J2E1E)(1)(11222'EEhEEhvBmcegMgMcvv4)(~1122BmegMgMEEhvvv4)()(1112212'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：MMM实验四塞曼效应原子态符号73S163P2L(轨道角量子数)01S(自旋量子数)11J（总角量子数）12g（朗得因子）23/2M（磁量子数）10－121-1-2Mg20－233/2-3/2-3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σ(E⊥B)π(E∥B)σ(E⊥B)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A图2实验装置示意图如图1—电磁铁2—电源3—透镜4—偏振片5—干涉滤光片6—F-P标准具7—CCD8—导轨9—电脑实验四塞曼效应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cos2ndl)54321s高反射膜1234MMdK-2K-1K图3等倾干涉花纹Kdcos2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5π成分的干涉花纹读数示意图)fD图4干涉圆环花纹的入射角与圆环直径D的关系L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：KfD]811[d2222DdfDDDKK221224abKkababbaDDDDKDDKfd21222222)(4)(d)(2212221122KKabDDDDBgMgMcme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0.5～1A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5π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π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ｍ、带电量为ｑ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ｆr＝６πａηｖg，这时有６πａηVg＝ｍg2、当在平行极板上加电压Ｕ时，有６πａηｖe＝ｑＥ－ｍg，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：dUE)V(vvgegUdmgq实验五密立根油滴实验调节平行极板间的电压，使油滴