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近代物理实验简介 五十年代初期 我国以原苏联的专门物理实验中一部分内容开设了中级物理实验 它是继电子学实验 之后介于普通物理实验和专业实验之间的一门综合性较强的实验课程 八十年代初期 将中级物理实验改 名为近代物理实验 该课程的教学内容几乎集合了整个物理学发展史上的重大成就 人们曾把它称之为 里 程碑 式实验 国内外著名大学的物理系都把近代物理实验建设摆在举足轻重的位置上 因为它是物理学 科实验室建设水平的重要标志 一 一 G M 计数器及核衰变的统计规律计数器及核衰变的统计规律 一 实验简介 G M 计数是射线气体探测器的一种 主要用来测量 射线和 射线的强度 它由 G M 计数管 高压电源和定标器三部分组成 是核物理实验中常用的测量仪器 二 实验目的 了解盖革 Geiger 弥勒 Muller 计数管 G M 计数管 的结构 工作原理和性 能 掌握 G M 计数器的使用方法 验证核衰变的统计规律 了解放射性测量中统计误差的性质 掌握其表示方法 三 实验提纲 1 计数器所记录的电压脉冲是如何形成的 脉冲幅度是否与射线能量成正比 计数多少是否 就是放射源发射的粒子数 2 在通常情况下进行放射性测量时总有本底存在 为得到放射源的净计数率 由放射源引起的 计数率 必须从测量得到的总计数率中减掉本底计数率 试考虑本底对净计数率误差的影 响 在净计数率很低的情况下如何 在净计数率高的情况下又如何 为使所求得的净计数率 满足一定的精度要求 总计数和本底计数的测量时间应如何安排 3 放射性测量中的标准误差的含义是什么 试举例说明之 四 参考文献 1 于群 原子核物理实验方法 第四章 2 梅镇岳 原子核物理学 第一章 3 E Bleuler G J Goldsmith Experimental Nucleonics Experiment 8 五 实验系统 二 闪烁谱仪测定 射线的能谱二 闪烁谱仪测定 射线的能谱 一 实验简介 核物理实验的主要任务是测量和分析核衰变时辐射的 射线和中子的强度 能量 电荷以及它们的时空特性 各种核辐射粒子是人的感观所不能直接察觉到的微观粒子 因此 必 须借助于各种射线探测器 探测核辐射粒子的基本原理是基于它们与物质的相互作用规律 闪烁 探测器是利用核辐射粒子在闪烁体中产生的发光效应来探测 射线的能谱 二 实验目的 了解闪烁计数器的工作原理 熟悉其结构 并掌握用闪烁谱仪测量 谱的原理和基本方法 并测量 60Co 和137Cs 射线的脉冲谱 三 实验提纲 1 据你对 60Co 射线谱的实验结果 试分析单道脉冲幅度分析器道宽的选取对测量结果的影响 2 由的衰变图 图 2 2 8 可知 每一个 60Co 核衰变成处于基态的60Ni 核的过程中 放出一个 粒子 一个能量为 1 17MeV 的射线和一个能量为 1 33MeV 的 射线 测得 60Co 脉冲分布中 对应 1 17MeV 和 1 33MeV 射线的两个光电峰的高度不一样 试解释之 3 对 137Cs 放射源的情况 放射源发射的 0 661MeV 的 射线被墙 地面 周围物体散射 试计 算进入闪烁体的散射 射线的能量范围 并与你测得的 137Cs 脉冲谱中反散射峰对应的能量比 较 四 参考文献 1 王祝翔编 核物理探测器极其应用 第七章 2 复旦大学 北京大学 清华大学合编 原子核物理实验方法 第四 七章 第一 二节 3 实验系统 137Cs 0 52MeV 92 0 661MeV 1 18MeV 8 137Ba 60Co 0 32MeV 1 2 1 17MeV 1 33MeV 60Ni 图 2 2 8 137Cs 和 60Co 衰变图 三 符合测量三 符合测量 一 实验简介 在核物理和高能物理实验中 往往要同时记录几个时间上有关联的事件 例如测量宇宙 射线的角分布时 把几个盖革 弥勒计数管按一定方向排成一列 这几个计数管同时出现脉 冲就对应在这方向入射的射线 个别管子有脉冲对应其他方向入射的射线 把这几个计数管 接到符合电路 只把同时出现的脉冲挑出来 这样就记录了沿一定方向入射的宇宙射线数 根据具体实验要求 符合测量由可分挑选同时发生的事件 符合法 排除伴随有另一事件 反符合法 挑选相隔某一定时间间隔的时间 延迟符合 等几种 二 实验目的 了解符合测量的基本原理及其应用 熟悉符合测量所用的电子线路 掌握用 符合方法 测量 60Co 放射源活度的方法等 三 实验提纲 1 若有某放射性核素其级联发射的 1 和 2能量差得比较多 探测器对它们的探测效率 1 2 此时 3 式是否成立 2 若某放射性核衰变方式如图 2 3 6 所示 能否用 符合方法测源强 3 用脉冲发生器测符合分辨曲线 当 td大于一定值时符合电路输出脉冲数为零 用 60Co 源 闪烁探头测分辨曲线时 符合电路输出脉冲数会不会等于零 为什么 四 参考文献 1 复旦大学 清华大学 北京大学合编 原子核物理实验方法 上册第七章 科学出版社 1983 2 E Blenler G J Goldsmith Experimental Nucleonics Exp 22 五 实验系统 四 四 相对论电子的动能与动量关系的测量相对论电子的动能与动量关系的测量 一 实验简介 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 同时实验者将从中学习到 磁谱仪测量原理 闪烁计数器的使用方法及一些实验数据处 理的思想方法 二 实验提纲 1 观察狭缝的定位方式 试从半圆聚焦 磁谱仪的成像原理来论证其合理性 2 本实验在寻求 P 与 X 的关系时使用了一定的近似 能否用其他方法更为确切地得出 P 与 X 的关系 3 用 放射源进行能量定标时 为什么不需要对 射线穿过 220 m厚的铝膜时进行 能量 损失的修正 4 为什么用 放射源进行能量定标的闪烁探测器可以直接用来测量 粒子的能量 三 实验系统 五 法拉弟效应实验五 法拉弟效应实验 一 实验简介 1845 年法拉弟 Michal Faraday 发现加在玻璃棒上的磁场可引起平行于磁场方 向传播的线偏振光的偏振面旋转 并且与通光的方向无关 这种现象不同于一般的旋光物质 此现象被称为法拉弟效应 法拉弟效应有许多重要的应用 利用电流的磁效应和光纤材料的 法拉弟效应 可测量几千个安培的大电流或几千 KV 的高压电流等 在激光技术发展后 其应 用价值倍增 如用于光纤通讯系统中的磁光隔离器等 二 实验目的 了解磁光效应现象和法拉第效应的作用机制 掌握旋光角的测量方法 学会使用有关仪 器 学会用重要物理量的经典值验证实验原理和实验精度 三 实验提纲 1 对于本实验来说 引起误差的主要来源有哪几个因素 这些因素在实验过程中如何处理 得好以减小实验误差提高实验精度 2 试设计一个测量法拉第效应特性的实验方案 并画出实验光路图 四 实验系统 六 密立根油滴实验六 密立根油滴实验 一 实验简介 密立根 R A Millikan 是著名的实验物理学家 1907 年开始 他在总结前人实验的 基础上 着手电子电荷量的测量研究 之后改为以微小的油滴作为带电体 进行基本电荷量 的测量 并于 1911 年宣布了实验的结果 证实了电荷的量子化 此后 密立根又继续改进 实验 精益求精 提高测量结果的精度 在前后十余年的时间里 做了几千次实验 取得了 可靠的结果 最早完成了基本电荷量的测量工作 密立根的实验设备简单而有效 构思和方 法巧妙而简洁 他采用了宏观的力学模式来研究微观世界的量子特性 所得数据精确且结果 稳定 无论在实验的构思还是在实验的技巧上都堪称是第一流的 是一个著名的有启发性的 实验 因而被誉为实验物理的典范 由于密立根在测量电子电荷量以及在研究光电效应等方 面的杰出成就而荣获 1923 年诺贝尔物理学奖 二 实验目的 了解密立根 R A Millikan 将基本电荷的测量转化为宏观分测量的实验思想 以及实现 精确测量所做的努力 掌握用油滴法测量基本电荷量的方法 并测定基本电荷量 通过测量 和数据处理 受一次毅力 细心 严谨的实验作风的训练 三 实验提纲 1 试定性分析本实验的误差来源 2 已知油滴仪上所用的电压表是 1 5 级 两极板间距 d 和分划板标尺误差为 2 10 5m 设 空气粘滞系数误差为 2 10 7kg m s 一次计时反应误差为 0 1s 如有兴趣 就各参 量对电量 q 的影响做粗略的定量分析 四 实验系统 七 光泵磁共振实验七 光泵磁共振实验 一 实验简介 光磁共振是波谱学实验内容之一 它是在光抽运 光频下跃迁 和磁共振 塞曼能级间 的射频跃迁 结合在一起的物理过程 单一的磁共振 分辨率很高 但灵敏度低 光磁共振 不但灵敏度高而且分辨率也高 它的灵敏度一般比磁共振的灵敏度高几个数量级 光磁共振 可以用于基础研究 在量子频标 磁场测定等课题上也有应用价值 二 实验目的 通过这个实验可以加深对原子超精细结构跃迁的理解 学习在有光抽运下的磁共振测量 过程 观察原子与辐射场相互作用过程中的量子跃迁的实验方法 三 实验提纲 1 在观察光抽运信号时 为什么方波扫场必须过零 且仅当方波跃迁时才有吸收信号 当 扫场不过零时光抽运信号消失 为什么 2 当 1 B 过零点在方波中心位置 2 B 过零点接近方波的最低值 3 B 过零点接近 方波的最高值 试分析三种情况下的光抽运 并画出波形 3 为什么在测量 F g时要使用三角波扫场 当共振不正好发生在三角波谷处时为何出现两 组共振信号 4 试分析光抽运和磁共振两者之间的关系 说明光泵磁共振灵敏度高的原因 5 分析实验误差的主要来源 四 参考文献 1 禇圣麟 原子物理学 人民教育出版社 1979 2 吴思诚 王祖铨 近代物理实验 北京大学出版社 1995 3 仲明礼 张越 夏顺保 高立模 关于光泵磁共振实验中三角波扫场信号的讨论 物理实验 2003 23 6 37 五 实验系统 八 声光调制和光速测量八 声光调制和光速测量 一 实验简介 光速是物理学中一个具有代表性的基本常数 无论哪一个时代 几乎都动用了最先进的 科学技术对光速进行测量 光的偏转和调制 则为光速测量开辟了新的前景 并已成为当代 光通信和光计算机技术的中心课题 尽管光速已经如此精确 为培养学生的实验技能 在实 验室条件下 学生采用各种新颖的方法开展对光速的测量仍然十分必要 二 实验目的 学生通过对声光调制的理论认识和实际操作 使他们明白要进行光速测量 要对频率甚 高的光作怎样的处理和如何处理 这不仅加深了学生对实验思想的理解 而且奠定了一定的 非线性光学的实验基础 三 实验提纲 1 在本实验中 为什么说调制振动波的传播速度就是要测定的光速 2 本实验是光电结合非常紧密的应用性实验 通过实验原理的启示 你能否设想出另外一 种具有实际应用价值的实验方案 四 参考文献 1 鹤田匡夫 光速度 测定 O plus E p 102 1982 2 鹤田匡夫 光速度 测定 O plus E p94 1982 3 华中工学院等 激光技术 湖南科学出版社 1981 4 D N Page and C D Geilker Measuring the Speed of Light with Laser and Pockels Cell American Journal of Physics Vol 40 p 86 1972 5 肖明耀 实验误差估计与数据处理 科学出版社 p 36 1980 6 郭有思 直线拟合 物理实验 第 5 期 1983 7 高立模等 光速实验的改进 物理实验 第 6 期 1984 五 实验系统 九 九 X 光实验光实验 一 实验简介 1895年11月8日 伦琴 Wilhelm Conrad R ntgen 1845 1923 德国物理学家 在研究阴极射线时 发 现了一种穿透能力强 能使荧光物质发光而又不被电磁 场偏转的射线 即为 X 射线 又称伦琴射线 不久 伦琴为其夫人拍摄了第一张手骨的X光照片 图1 2 戒指形成暗影 随后伦琴把他的发现及手骨的 X 光照 片作了及时的公布 立即在科学界引起了巨大的反响 在 1901 年 伦琴因发现 X 射线这一重大的贡献而荣获 第一届诺贝尔物理学奖 随对 X 射线的研究进展 许多科学家又有重大的 发现 1907 年 C G Barkla 因发现 X 射线特征谱而荣获诺贝尔物理学奖 1911 年 劳厄提出了 X 射线在晶体中产生衍射的理论 并于 1912 年用实验加以证实 为晶体结构 的研究开辟了途径 并于 1914 年获诺贝尔物理学奖 英国物理学家布拉格父子 W H Brage W L Brage 通过对 X 射线谱的研究 提出了晶体的衍射 理论 于 1913 年建立了著名的布拉格公式 并改进了 X 光分光计 因上述成就而于 1915 年 父子同获 诺贝尔物理学奖 本实验分为粉末照相法和劳厄照相法两个实验 二 实验目的 了解 X 光实验原理 利用粉末照相法和劳厄照相法完成晶体参数测量 三 实验提纲 A 粉末照相法 1 计算点阵常数 a 2 计算 的相对误差 大小角度各计算一个 3 如何判断衍射图的透射区域和背反射区域 4 为什么用背反射区域的谱线测量晶胞参数比较正确 5 为什么在背反射区域看到衍射线是由双线构成的 6 试考虑由于 L 的测量误差对点阵常数的影响 B 劳厄照相法 1 劳厄衍射花样的椭圆和双曲线是如何形成的 2 同一晶带的各晶面劳厄斑点 其极射赤面投影点为什么可以放在同一条经线上 3 为什么把一个明显的晶带的投影点移动到基圆后 投影图就可与极射赤面标准投影 图相一致 4 为什么晶体点阵的对称形态会在劳厄衍射图上反映出来 5 测量投影点之间的夹角为什么要把投影点放在同一条经线上 四 参考文献 1 李树堂 晶体 X 射线衍射学基础 冶金工业出版社 2 许顺生 金属 X 射线学 上海科技出版社 3 肖定全 王民 晶体物理学 四川大学出版社 4 W L 布拉格 X 射线分析的发展 中译本 科学出版社 五 实验系统 十 电光调制器十 电光调制器 一 实验简介 晶体在外场 直流场 交变场 磁场 温度场等 的作用下 晶体的光学性质都会产生 一定的变化 从而出现电光 磁光 热光 光折变等效应 外场对晶体宏观性质的影响 主 要反映在晶体的折射率的变化上 这种变化虽小 但足以改变光在晶体中传播的许多特性 因而可以达到利用外场来控制光的传播方向 位相 强度 偏振态等 从而使输出光成为可 利用的讯号光 晶体在外场作用下光学性质的改变在激光技术中有着广泛的应用 二 实验目的 通过本实验 熟悉晶体的电光效应和电光调制器的基本工作原理 掌握电光调制器主要 性能的测试方法 了解电光调制器的应用 三 实验提纲 1 怎样保证激光束是沿着晶体的光轴传播的 2 如果 P2 P1 导出被调制光强的公式 3 为什么在具有对称中心的晶体中 线性电光效应不存在 4 激光束的方向为什么必须沿着晶体的光轴入射 如果激光束与光轴不平行 对实验结果 有何影响 为什么 四 参考文献 1 李荫远 杨顺华 非线性光学 第一 三章 2 蒋民华 晶体物理 第五 六章 3 肖定全 王民 晶体物理 第一 四 六章相关内容 4 许煜寰 铁电与压电材料 第三章 5 Yair A Introduction to optical electronics Chapterq 1976 五 实验系统 十一 傅立叶变换光谱十一 傅立叶变换光谱 一 实验简介 利用光的干涉现象 得到干涉图 经过傅立叶变换 在频域中得到光谱 这种方法得到 的光谱称为傅立叶变换光谱 所用的仪器称为傅立叶光谱仪 它的优点是 1 它以大的圆形入射孔径代替普通光谱仪的窄的入射狭缝 在获得同样分辨本领条件 下 它能从较大的立体角接受光源辐射 2 在一般分光光度计中 每一瞬间只能测量一个光谱元 而傅立叶光谱仪能在整个工作 时间内 同时记录所有待测光谱元 这又进一步使接收器获得更多的辐射能量 提高接收信 号的信噪比 所以 它特别适合于光源较弱的红外光谱区 目前它已作为一种新型红外光谱 仪广泛应用于红外光谱工作中 二 实验目的 自组傅立叶变换光谱仪 测量常用光源的光谱分布 三 实验提纲 1 利用激光调整迈克尔逊干涉仪 调出光的干涉条纹 2 利用钨丝灯调出白光的干涉条纹 目的是找出光程差为零的位置 3 去掉白光灯 放入被测光源 调整干涉条纹的方向和宽度 4 调整参考激光光路 尽量减少两光路之间的相互影响 5 调整电机转速 连接计算机 开始采集数据 6 进行数据处理和傅里叶变换 输出光谱 四 参考文献 1 吕斯桦 朱印康主编 近代物理实验技术 I 高等教育出版社 1991 2 母国光 战元龄等 光学 高等教育出版社 1979 五 实验系统 十二 塞曼效应十二 塞曼效应 一 实验简介 1896 年 荷兰著名的实验物理学家塞曼 Zeeman 将光源置于强磁场中 研究磁场对谱 线的影响 结果发现原来的一条光谱线 分裂成几条光谱线 分裂的谱线成份是偏振的 这 一现象称为塞曼效应 由于发现了这个效应 塞曼在 1902 年获得诺贝尔物理学奖 这是当 时实验物理学家的重要成就之一 它使人们对物质的光谱 原子和分子的结构有了更多的了 解 塞曼效应与斯特恩 盖拉赫实验及碱金属光谱中的双线一样 有力地证明了电子具有自 旋 能级的分裂是由于电子轨道磁矩与自旋磁矩相互作用的结果 通过塞曼效应实验 可由能级分裂的个数知道能级的J值 由能级的裂距可以知道g 因 子 如果原子遵从LS耦合 则可由g值判断该能级的L和S值 二 实验目的 观察塞曼光谱分裂 掌握通过测量干涉圆环的方法来得到能级分裂宽度的方法 了解磁 场对能解分裂的影响 三 实验提纲 1 塞曼效应的定义 2 该实验条件下 观察的是什么偏振状态下的谱线 3 该实验测量和计算的数据是哪些 为什么测量计算这些数据 4 如何判断实验中所见的三条 线是由六条线重迭而成的 5 若想测量六条 线 需要什么样的实验条件 四 参考文献 1 禇圣麟 原子物理学 人民教育出版社 1979 2 母国光 战元龄 光学 人民教育出版社 1978 五 实验系统 十三 光弹性效应 全息法十三 光弹性效应 全息法 一 实验简介 有一些光学介质在自然状态下是各向同性的 没有双折射性质 但当受到机械力作用时 将成为光学各向异性 产生双折射现象 这种双折射是暂时的 应力解除后即消失 这种现 象称为光弹性效应 光弹性效应为人们提供了研究机械零件 建筑构件等物体内部应力的方 法 激光的问世为光弹分析提供了有力的工具 发展了利用全息干涉原理研究光弹性效应的 技术 称为全息光弹法 二 实验目的 通过两次曝光法和一次曝光法的操作 了解全息干涉原理在内应力分布中的应用 三 实验提纲 1 光弹性效应定义和全息光弹法定义 2 一次曝光和二次曝光的关系与区别 3 如何通过全息法来观测内应力的分布 四 参考文献 天津大学材料力学教研室光弹室 全息干涉法 光弹性原理及测试技术 科学出版社 第 347 1980 五 实验系统 十四 核磁共振十四 核磁共振 一 实验简介 首先把磁共振方法引入微观研究的是美国科学家拉比 Raby 他在原子束实验中巧妙地 运用了磁共振方法 将磁矩的测量精度提高了两个级量级 但是实验中直接测量的是粒子的 踪迹 这和今天的磁共振方法完全不一样 磁共振方法的根本改进是俄国科学家柴伏依斯基 Zabouckuu 于 1944 年完成的 他在顺磁盐中首先观察到电子自旋共振信号 柴伏依斯基在 实验中直接观测的是作用于磁矩体系上的射频场在发生共振吸收时的能量变化 而不是粒子 的踪迹 这个基本原理甚至在今天最现代化的磁共振仪器中仍然得到体现 第二次世界大战 以后 磁共振技术有了长足的进步 这主要得益于战争中发展起来的电子技术 1946 年哈佛 大学的帕塞尔 Purcell 和斯坦福大学的布洛赫 Bloch 独立地发现了石蜡和水中质子的核磁共 振信号 此后磁共振方法得到了迅速的发展 很快成为研究物质微观结构的重要手段 为此 帕塞尔和布洛赫获得了 1952 年的诺贝尔奖 二 实验目的 1 了解核磁共振原理和来源 2 了解核磁共振方法的应用 这种方法可以比较精确地测到细小的物理参数 甚至得到一 些用其它方法无法得到的参数 三 实验提纲 1 在示波器上看到共振吸收信号之后 如改变激磁电流 共振信号会在示波器上左右移动 为什么 如用永久磁铁做外磁场 会不会有相同的情形 2 磁场调制幅度的大小对测量精度和测量误差有何影响 3 采取什么措施可以提高共振吸收信号的强度 4 在用永久磁铁和电磁铁作外场时 共振信号分别出现在荧光屏上什么位置时读取共振频 率值 5 液体样品和固体样品所显示的共振吸收波形有何不同 为什么