近代物理实验讲义第五版

1近代物理实验(第五版)温州大学物理与电子信息学院近代物理实验讲义编写组二零零九年二月2目录前言…………………………………………………………………………………………3实验一夫兰克一赫兹实验……………………………………………………………4实验二半导体激光器实验……………………………………………………………9实验三近红外分光光度计实验………………………………………………………21实验四激光全息照相实验……………………………………………………………27实验五原子发射光谱实验(一)…………………………………………………………35实验六原子发射光谱实验(二)…………………………………………………………39实验七光磁共振实验…………………………………………………………………44实验八功能材料制备实验……………………………………………………………51实验九卢瑟福散射实验………………………………………………………………57实验十原子力显微镜实验……………………………………………………………62实验十一核磁共振实验…………………………………………………………………74实验十二微波自动测量线实验…………………………………………………………81实验十三X射线发射谱实验……………………………………………………………86实验十四塞曼效应实验…………………………………………………………………97实验十五功能材料测试实验……………………………………………………………103实验十六全息平面光栅制作实验………………………………………………………106实验十七喇曼光谱实验…………………………………………………………………111实验十八生物倒置显微镜实验…………………………………………………………119实验误差与数据处理………………………………………………………………………126参考文献……………………………………………………………………………………138后记…………………………………………………………………………………………1403前言实验是物理学发展的基础，又是检验物理理论的唯一手段。特别是现代物理学的兴起，更和实验有着密切的联系。正是实验技术的发展，不断地揭示和发现各种新的物理学现象，日益加深人们对客观世界规律的认识，从而推动着物理学的向前发展。近代物理实验是继普通物理实验和电子电工实验之后为物理系高年级学生开设的一门重要的实验课程。在近代物理实验要做的十多个实验中，有在近代物理学发展史上堪称里程碑的著名实验，也有与现代科学技术中常用实验方法或现代技术有关的实验。与普通物理实验相比，近代物理实验所涉及的知识面很广，具有较强的综合性和技术性。我们开设近代物理实验，一方面使同学们进一步认识物理实验对近代物理规律发现和近代物理理论的建立所起的重大作用，加深对近代物理概念和规律的理解。另一方面，使同学们能掌握近代物理及现代技术中的一些常用实验方法和实验技能，进一步培养良好的实验习惯和严谨的科学作风，使同学们获得一定程度的用实验方法和技术研究物理问题的独立工作能力。因此，学好近代物理实验是十分重要的。为了完成好近代物理实验，除了一般物理实验要求之外，特别要求同学们做到以下二点：第一，认真做好预习。与普通物理实验相比，各个近代物理实验的原理和使用的仪器设备都要复杂、精密得多。因此要求同学们一定要化足够时间做好预习，可以先到近物实验室看看，预先了解各实验仪器设备的特性与使用方法。不预先懂得实验原理，不掌握实验仪器的特性、操作要领和实验步骤等，是断然做不好近代物理实验的。第二，在教师指导下，要独立完成实验。培养独立工作能力，是开设近代物理实验的重要目的之一，也是大学高年级学生应具备的能力之一。教师只是起指导作用。从每个实验的原理了解，每台仪器特性掌握，到实验步骤确定，实验数据记录、实验结果分析等，都要求同学们能独立完成。同学们要认真阅读本讲义，也要查阅、研究其他文献资料，还要积极思考、不断探索，独立解决遇到各种问题。最后，祝同学们顺利完成近代物理实验课程！近代物理实验室一九九八年六月4实验一夫兰克—赫兹实验1931年，尼·玻尔在描绘氢原子光谱规律经验公式的基础上建立了新的原子结构理论，提出原子只能较长久地停留在一些稳定状态（称为定态），每一定态，对应一定的能量，叫能级。玻尔认为：各定态的能量是分立的，原子跃迁时只能吸收或辐射相当于二定态能量差的能量。1941年，夫兰克和赫兹使用慢电子与稀薄汞气体的汞原子碰撞而进行一定能量的交换，测量出汞原子的激发电势，从而直接证明了原子能级的存在，清晰地显示了原子能级的图像，为玻尔理论提供依据。夫兰克—赫兹实验成为探索原子结构的一个重要实验。几年来，夫兰克—赫兹实验已作了改进，不用汞原子蒸气而用氩原子气体，在常温下氩是气体，因此实验时不需加热。本实验采用的氩气体。一、实验目的1、学会测量氩原子的第一激发电位的方法。2、了解本实验的设计思想和方法。3、通过本实验，证明原子能级的存在，加深对对夫兰克—赫兹实验原理与原子结构的了解。二、实验原理1、夫兰克—赫兹实验的原理如图一所示。图一夫兰克—赫兹管原理图5本实验使用的夫兰克—赫兹管内充氩原子气体。阴级K加热后发射电子，电子在K与栅极G之间的正向电压UGK的作用下被加速。板极A和栅极G之间的反向电压UAG对电子起阻档作用。当电子通过KG空间进入GA空间时，如果具有较大的能量，就会冲过反向拒斥电场而达到板极，形成板流，由微电流计IP测出。如果电子在KG空间与氩原子碰撞，把自己全部能量给了氩原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就接近零，以致通过栅极后已不足以克服拒斥电场，而被折到栅极。这时，通过电流计IP的电流就将显著减少。设电子在KG空间与氩原子碰撞，正好把自己全部能量给了氩原子而使后者激发的电势差是V1，E1和E2表示氩原子基态和第一激发态的能量，则eV1=E2-E1⑴因此测得V1就可以知道氩原子第一激发态与基态的能量差，V1称做第一激发电势。图二氩原子的ＩP～ＵＧＫ曲线如果UGK增大一些，使电子获得的能量eUGKeV1，电子与氩原子发生碰撞，将部分能量传给氩原子使之激发，碰撞后的电子还剩余部分动能，它在正向作用下仍被加速并继续与原子发生碰撞。如果电子能量达２eV1，它可继续使第二个氩原子同样激发，这时通过IP的电流又显著下降。其余类推。图二所示的曲线反映了氩原子在KG空间与电子进行能量交换的情况，当KG空间电压逐渐增加时，电子在KG空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压较低，电子能量较少，即使在运动过程中，它与原子相碰撞也只有微小的能量交换（为6弹性碰撞）穿过栅极的电子所形成的板流IP将随栅极电压ＵGK的增加而增大。（如图二中的oa段）。当KG间的电压达到氩原子的第一激发电位V1时，电子在栅极附近与氩原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的能量交给后者，并使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于把能量给了氩原子，即使穿过了栅极也不能克服反向拒斥电场而被折回栅板。所以板极电流ＩP将显著减小（如图三中的ab段）。随着栅板电压ＵGK的增加，电子的能量也随之增加，在与氩原子相撞后，还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场而达到板极Ａ。这时，电流又开始上升（bc段）。直到KG电压是二倍氩原子的第一激发电位2V1时,电子在KG间又会因二次碰撞而失去能量,因而又造成了第二次板极电流的下降(如图三中的cd段)。同理，当ＵGK＝NV1(n=1,2,3…)时，ＩP都会明显下降。ＩP～ＵGK曲线的规则起伏变化，形象方便地证明了原子能级的存在。用这种简单而巧妙的方法，能很方便地测量出氩的第一激发电势。曲线上二相邻的极小值（谷）或极大值（峰）所对应的ＵGK之差就等于氩原子的第一激发电势V1,即：Un+1－Un＝V1⑵实际实验的夫兰克—赫兹管内在栅极附近增加另一栅极G1，见图三。栅极G1的作用是为了消除电子在阴极附近的堆积效应，起着控制电子流大小的作用。图三双栅极的夫兰克—赫兹管结构三、实验仪器介绍（FD-FH-1仪）。7FD-FH－１型夫兰克－赫兹仪的面板结构如图四所示。各部分说明如下：（1）电压指示表头，通过波段开关分别表示Vf、VG1、VP、VG2.（2）电压指示波段开关:改变电压表指示的电压。（3）电源指示灯。（4）IP电流波段开关，其量程有：1μA,100nA,10nA,1nA.（5）IP电流指示表头，电流=波段开关提示值×电压值。（6）VG2输出（衰减10倍）。（7）VG2扫瞄速度开关。（8）VG2扫瞄开关，有‘手调’与‘扫瞄’二档。（9）各电压（Vf、VG1、VP、VG2）的调节电位器。（10）夫兰克—赫兹管各电极输入接线柱。（顺时针电压增大）。（11）各电压输出接线柱：红色为正。（12）IP输出：接示波器、记录仪或计算机接口。图四FD-HF-1夫兰克—赫兹仪面板说明图仪器性能指标8电源电压：220±10%，Vf调节范围：1-6V，VG1调节范围：0-12V，VP调节范围：0-6V，VG2调节范围：0-100V，峰值数：≥5。四．实验内容1．熟悉夫兰克—赫兹仪的各表头、旋扭的用法。2．调好Vf、VG1、VP最佳初时值。3．由于测VG2的电压表头读数不大准确，实际测量时用一条电线将VG2输出端（衰减10倍）（即图四上（6））与万用表连起来，从万用表上读出VG2数据。4．将VG2从0慢慢增加到约10伏（已衰减10倍），及时记录下各电流峰值、中间值、谷值所对应的电压VG2值。（约有7个峰值与7个谷值，连中间值一起，共要测出约28个数据。）5．对电压VG2的7个峰值或7谷值数据作数据处理，以求出氩原子第一激发电势。要采用逐差法求出第一激发电势的平均值。6．作出IP与VG2的关系曲线。五．注意事项1．开机前各旋扭旋至0(即旋扭逆时针到底)，然后再开机实验。2．按规定设置好Vf、VG1、VP初始值。其中Vf初值不能太大，否则夫兰克—赫兹管会发生电离，电流会自发增大直至烧毁。一旦发生IP负值打表或正值打表，应立即关机，将Vf调小，5分钟后再开机重新测量。3．开机约10分钟待IP电流稳定后开始测量。4．当VG2从0增加到约10伏（已衰减10倍）时，要一口气测下去，不要倒退。5．实验结束，关机前各电压旋扭旋至0。9实验二半导体激光器实验一、实验目的通过实验，要求达到如下目的：（一）、了解半导体激光器的发明和发展。（二）、了解半导体激光器的基本原理。1、半导体激光器的结构2、半导体激光产生的条件（三）、掌握半导体激光器性能的测试方法。1、发光功率的测量（P-I曲线）2、消光比的测量（ER-I曲线）3、光谱的测量（观测光谱形状变化、P-I）二、实验原理（一）、半导体激光器的产生和发展大家知道，激光的产生需要工作物质、激励能源和谐振腔。半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器，亦称为半导体激光二极管（简写为SLD——SemiconductorLaserDiode），是六十年代初发展起来的一种新型光源。它发光原理是通过正向偏压下p-n结中空间电荷区附近形成的载流子（电子）反转分布“激活区”的个别自发发射感应受激辐射而发出相干光。发射波长在0.33-100μm的范围。激励方式有p-n结注入电流激励、电子束激励、光激励和碰撞电离激励等4种。我们最常用的p-n结注入式，这是最为成熟的。使用的工作物质有GaAS、InGaAsP等直接带隙半导体材料。半导体激光器由于构成材料的不同分为同质结激光器和异质结激光器。如果p-n结是由相同的半导体材料通过不同的掺杂而构成，称为同质结；否则称为异质结。激光器的出现可以追溯到1958年，接着固体红宝石激光器和He-Ne气体激光器分别在1960年5月和1960年12月运行成功。1960年前后，激光器的研究工作进展很快。10而在电子技术领域中p-n结器件的研究工作是进展最快的。这些研究的焦点是通过p-n结注入非平衡载流子来产生受激发射。冯·纽曼（VonNewman）在1953年提出了利用p-n结注入激发——半导体受激发射产生光放大的可能性。1962年初纳斯莱多夫