北京大学近代物理实验教学大纲

1、中文名称：近代物理实验I, 近代物理实验II周学时：6 + 6英文名称：Modern Physics Laboratory总学时：84+84课程类别：主干基础课学 分：3 + 3 “近代物理实验”是物理学院高年级学生的一门重要基础课，所涉及的物理知识面广，综合性和技术性强。它对丰富和活跃学生的物理思想，锻炼他们对物理现象的洞察力，引导他们了解实验物理在物理学中的地位，正确认识新物理概念的产生、形成和发展的过程，培养严谨的科学作风都起着非常重要的作用。通过近代物理课的学习，同学们还可以掌握科学研究中广泛应用的一些基本实验技术和方法。可以说，“近代物理实验”是培养学生独立分析和解决问题能力，学习如

2、何用实验方法研究物理现象和规律的关键性一环。 北大的近代物理实验课含近代物理实验I和近代物理实验II两部分。 近代物理实验I由涵盖原子物理、原子核物理、激光与近代光学、真空、X射线和电子衍射、磁共振、微波、低温和半导体等领域的近40个实验组成。 近代物理实验II由凝聚态物理实验、激光实验和材料物理实验三个模块组成，学生可以选修其中一个模块的内容。凝聚态物理实验模块由近代物理实验I中涉及物质结构和物性表征的一些独立实验组成。激光物理实验模块内容包括重要激光器的基本原理及特性参数测量。材料物理模块为开放性的研究课题，题目由任课教师选定，内容必须包括样品制备和三种以上的物性表征手段。基本目的： 近代

3、物理实验在物理专业的整个教学环节中起着承上启下的作用。课程通过近代物理实验对理科学生进行较强的综合性和技术性的实验训练，来丰富和活跃学生的物理思想，锻炼学生对物理现象的洞察力，引导学生了解实验物理在物理学发展过程中的作用，正确认识新物理概念的产生、形成和发展的过程，培养严谨的科学作风，学会近代物理中的一些基本实验技术和方法等。可以说，“近代物理实验”是培养学生独立分析和解决问题能力，学习如何用实验方法研究物理 现象和规律的关键性一环。 内容提要： 近代物理实验是物理专业高年级学生的一门综合性实验课，分为近代物理实验 I 和近代物理实验 II 两部分。其中，近代物理实验 I 由涵盖原子物理、原子

4、核物理、激光与近代光学、真空、X 射线和电子衍射、磁共振、微波、低温和半导体等领域的近 40 个实验组成。在选题时，我们注意：（1）配合与近代物理发展有密切关系的课程安排一些实验，其中有的是在近代物理学发展中起到里程碑作用的实验。做好这些实验对学生掌握近代物理主要领域中的新概念，以及对学会用实验的方法研究物理现象与规律和了解物理实验在物理学发展中的地位和作用是十分有帮助的。（2）在近代物理发展的一些重要领域（如核物理、激光和现代光学、凝聚态物理等），结合我校物理学科的设置情况，选取那些在内容上能反映该领域的基本物理现象与规律，在实验方法与技术上有代表性的实验。（3）介绍近代物理实验研究中经常碰

5、到的一些实验技术，如真空技术、核探测技术、低温技术、扫描探针技术和微弱信号提取技术等。为避免搞成纯技术性操作，在设计这方面的实验时，同时安排若干具有物理内容的实验课题，以提高学生理论联系实际、解决实际问题的能力。（4）吸收我校教师科学研究的成果。由于有科研工作的基础，这类实验可以引导学生进行更深入的分析。选近代物理实验 I课的学生要在一学期内做不同领域的 7 个实验。 近代物理实验 II 由凝聚态物理实验、激光实验和材料物理实验三个模块组成。其中，凝聚态物理实验模块由近代物理实验 I 中涉及物质结构和物性表征的一些独立实验组成，由学生自己从中选择 7 个实验（不能和近代物理实验 I 中已做过的

6、实验重复）。 激光物理实验模块实验内容包括： （1）重要激光器的基本原理及特性参数测量。 （2）重要的激光技术：调 Q、倍频、稳频、锁模等；与激光技术密切相关的电光、声光、光纤器件的原理、特性和应用。 （3）非线性光学的基本知识：相位匹配、频率变换；新的实验手段和手法：微机控制、数据采集和处理。 材料物理模块为开放性的研究课题，题目由任课教师选定，内容必须包括样品制备和三种以上的物性表征手段。在以往的课题中，有制备磁性、有机发光和半导体薄膜样品的，也有用烧结法制备大块超导样品的；有用 X 射线衍射、卢瑟福背散射和原子力显微镜等手段表征样品的结构、成分和微结构的，也有在烧结过程中实时测量样品电阻

7、率的。课程结束时要提交研究报告，并向课程委员会做20 分钟的答辩。 教学要求： 通过完成一定数量独立实验或研究课题学生应达到如下基本要求： 1. 通过阅读说明书能够正确使用一般仪器。 2. 能较深入地理解已做过实验中涉及的基本物理概念和基本物理定律，能比较好地掌握已做过实验中涉及实验技术。 3. 对用实验研究物理问题的过程有基本的了解，知道如何查找参考文献，能提出自己的实验方案（有自己的考虑就行），能对实验结果做基本的分析。 4. 养成良好的实验习惯和严谨的科学作风，特别是严肃认真对待实验数据，杜绝弄虚作假，树立实事求是的科学态度和道德。 教学方式： 教师指导、独立实验、交流讨论 实验选题：I

8、独立实验： 第一单元 原子、分子物理 1-1 氢原子光谱的同位素移位 1-2 钠原子光谱的观测与分析 1-3 塞曼效应 1-4 X 射线标识谱与吸收 1-5 CO 埃氏(Angstrom)带系光谱 1-6 振动拉曼光谱 第二单元 核探测技术及引用 2-1 用 NaI(Tl)闪烁谱仪测定 射线能谱 2-2 符合测量 2-3 卢瑟福散射 2-4 康普顿散射 2-5 穆斯堡尔效应 2-6 用 粒子验证相对论的动量-能量关系 第三单元 激光与光学 3-1 He-Ne 气体激光器放电条件的研究 3-2 He-Ne 气体激光器的纵模和横模分析 3-3 非线性晶体中的二倍频与和频 3-4 利用复合光栅实现光

9、学微分处理 3-5 用反射椭偏仪测量折射率和薄膜厚度 3-6 晶体的电光效应及其应用 3-7 法拉第效应 3-8 单光子计数 3-9 光学双稳态 第四单元 真空技术与薄膜制备 4-1 高压强电离真空计的校准 4-2 真空镀膜 4-3 用化学气相沉积法生长金刚石膜 第五单元 X 射线、电子衍射和结构分析 5-1 X 射线多晶衍射仪 5-2 电子衍射 5-3 扫描电子显微镜 5-4 扫描隧道显微镜 第六单元 核磁共振 6-1 核磁共振 6-2 光泵磁共振 6-3 脉冲核磁共振 6-4 核磁共振成像第七单元 微波实验 7-1 体效应振荡器的工作特性和波导管的工作特性 7-2 用传输式腔观测铁磁共振

10、7-3 电子自旋共振 第八单元 低温物理实验 8-1 纯铜低温热导率的测量 8-2 10K 以上温区超导体基本特性的观察 第九单元 半导体物理实验 9-1 硅的霍尔系数及电阻率的测量 9-2 用电容-电压法测量半导体中的杂质分布 9-3 用热激活法测量肖特基势垒高度II. 激光物理实验模块 a) 高斯光束和发散角测量氦氖激光器的模式分析 b) 用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性 c) 氦氖多谱线激光器 d) 声光调制锁模激光器 e) 半导体激光器谱线特性的测量 f) 非线性晶体中的二倍频与和频 g) 单模光纤的维尔德常数的测定过去 5 年部分开放性研究型实验题目 每个题目均为 64 学时

11、1. 超高真空扫描隧道显微镜及应用 2. 物质非线性吸收的测量 3. 制备超导厚膜及性能测试 4. 混合物理化学气相沉积法制备 MgB2 超导纤维的研究 5. 低温纯铜热导率测定的改进 6. 微井和光钳的细胞操作和培养 7. 基于纳米压印技术的纳米加工研究 8. 光敏 BZ 反应的非线性动力学研究 9. 非线性系统的倍周期分岔和混沌 10. FDISH 的构建及其在表面光谱学中的应用 11. 磁光克尔谱仪的调试和应用 12. CVD 装置生长金刚石薄膜的研究 13. 用虚拟仪器实现扫描隧道显微镜（STM）的控制 14. 硅表面人工微结构模板的构建和扫描探针显微术观察 15. 核磁共振成像实验的

12、研究 16. 用核磁共振成像仪测弛豫时间 T1 和 T2 17. MgB2 高温超导材料的烧制试验 18. 微流控芯片加工技术 19. 四探针扫描隧道显微镜及应用 20. 制备条件对 YBCO 晶体生长的影响 21. YBCO 超导块材的制备及性能测试 22. 氨基酸的手征 23. Co/Cu 多层膜的制备 24. In 在 Cu 中的扩散 25. 有机材料的发光 26. YBCO 样品（化学烧结法制备）烧结过程中T 曲线的研究 27. MgB2 超导样品二次烧结过程中T 曲线的研究及对 MgB2 超导样品性能的讨论 28. 原位生长 MgB2 超导薄膜实验装置的建立及研究 29. 计算机控制

13、的高温T 曲线测量装置的制造 30. CVD 法制备 MgB2 薄膜 31. 微型制冷机用于 R-T 曲线测量 32. 理论密度 MgB2 样品讨论 33. 有机纳米管的导电性能测量 34. Raman 谱仪的调整和 CMOS 电路中 NiSi 材料工艺的 Raman 光谱研究 35. Raman 谱仪的调节、性能检测以及 CdSe 纳米材料的物性研究 36. Raman 谱仪的调节及纳米金刚石的 Raman 谱特征 37. Raman 谱仪的调整、操作以及战国和唐朝古镜样品的 Raman 光谱研究 考核方法：1. 独立型实验 评分采用百分制，为各次实验评分的算术平均值。单次实验评分亦采用百分制，其中，预习占20分，课堂操作占50分，报告占30分。预习部分主要考察：是否通读相关实验讲义、对实验原理和内容是否有基本的了解、是否做了预习思考题等。课堂操作部分主要考察：是否遵守课堂纪律和实验规程、是否有清晰的实验思路、是否有独立分析和解决问题的能力、是否有严谨的实验态度、是否得到了可靠和合理测量结果等。实验报告部分主要考察：报告是否规范完整、是否能够用自己的语言简明地表述实验原理、实验步骤的描述是否和实际一致、数据处理是否正确、图表是否