近代物理实验论文

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1、近代物理实验论文近代物理实验教学是大学生实践教学中的重要环节，它对于培养大学生的实践能力和创 新能力有着不可替代的作用。长期以来,近代实验教学模式单一、内容陈旧、方法死板，缺 乏时代特征。学生只要按实验教材上的步骤去做, 就能成功地测到数据, 完成实验。这种呆 板的、千篇一律的实验教学方式在一定程度上限制了学生的主动性与积极性, 难以激发他们 独立思考的兴趣和激情。基本实验要求学生必须认真预习，掌握实验原理，了解实验中的物理思想及实验中的物 理思想及实验中应完成那些工作和实验的关键性措施，在此基础上写出预习报告。根据学生 的预习情况，教师提出问题与学生一起讨论，进一步引导学生领会实验原理和物理

2、思想，然 后由学生独立完成实验操作、数据处理、误差分析、直到写出实验报告。整个实验过程要充 分体现学生的主体作用和教师的主导作用。我们这学期做的实验有微波迈克尔逊干涉实验光栅光谱实验椭圆偏振仪测量薄膜厚度微波布拉格晶体衍射核磁共振实验光泵磁共振实验微波顺磁共振实验全息照相实验迈克尔孙干涉传统上是用可见光来进行的。布拉格衍射原本是英国物理雪茄布拉格父子 用 X 射线在实际晶体物质中实现的，他们还因此获得1915 年诺贝尔物理奖。而在我们的试 验中是用波长比光波波长和X射线波长在数量级上长1万倍甚至更多的微波来模拟的。 1 通过微波迈克尔孙干涉试验，了解微波与光在现实迈克尔孙干涉时的差异。2. 通

3、过微波对模拟晶体的布拉格衍射测量，了解X光射线晶体衍射的基本特点和大致方法。 步骤：1. 调微波分光计，使两个喇叭同轴等高，且通过分光计中心，各转至0与180。2. 把固体震荡器接上直流电源，打开电源开关之前为了防止其始电压过大，击穿微波管， 应先使电源输出电压旋至最小。打开电源开关后，将电压调至910伏。3. 晶体管检波器与微波传播波导管的匹配皆需调节。可用加大衰减的办法，先调节检波器 短路活塞的位置，使指示表头达到最大。再调节微波波导管的匹配(方法同上)，使之位置 最佳。4. 测量微波波长如图B1-5,在分光计上将喇叭(D)旋转90,并装上动反射镜(M1)和固定反射镜(M2),构成 微波迈

4、克尔孙干涉仪。在小平台上放一玻璃板(P),使之与微波如射方向夹角为45。只要移动(M1)的位置，就可 在检测表头上观察干涉的结果。微波布拉格衍射的实验装置主要是一个微波分光计，如图B1-4所示，分光计两臂可以绕主 轴转动，其上分别装置发射喇叭(T),及探测喇叭(D)。发射喇叭上附有速调管或体效应震荡 器(k)及衰减器(A),可发射波长为3cm的单色微波，探测喇叭上附有检波器，输出引线连接 直流电流表(量程为100UA的微安表)，以显示探测喇叭受到散射波相互干涉后的微波能量。 为防止分光计底座与小平台(S)对微波的反射，两个喇叭等高并位于小平台之上。应用耦合模理论对长周期光纤光栅的光谱特性进行研

5、究,并对长周期光纤光栅结构参量的改 变对其光谱特性的影响进行分析与模拟,得到其光谱响应的规律,为建立高灵敏度的光纤光 栅传感器提供了结构优化的理论依据.1、了解光栅的分光原理及主要特性； 2、了解光栅光谱仪的工作原理；3、掌握利用光栅光谱仪进行测量的实验方法；II .在我国的许多高等院校的大学物理实验和专业实验中都开设了利用椭圆偏振法测量薄 膜厚度的实验 , 尽管椭圆偏振法测量薄膜的理论和设备都已十分成熟 ,但在实践中仍 然 有许多问题 ,尤其是仪器的调整在实验中是一个难点。本文仅对分光计的调整对椭圆偏振 仪测量薄膜厚度和折射率的影响略作探讨 。 1 椭偏仪测透明膜厚度和折射率原理简介 我校购

6、买的是浙江光学仪器制造有限公司生产的 WJZ 型椭偏仪 ,仪器结构是以分光 计作 为平台 ,再加上起偏器、检偏器、 /4波片 、 1小孔光栏、 白屏目镜、 黑色反光 镜 、 标准样板 （ K9 玻璃为基底的氧化钛薄膜 ）、 激光电源等部件。 使一束自然光 经起偏器后变成线偏振光 ,再经过 1 /4波片 ,使它变成椭圆偏振光入射在待测的膜上。 反射时 ,光的偏振状态将发生变化 , 通过检测这种变化 ,便可以推算出待测膜面的光学 参数 （膜厚和折射率 ）。图 1所示为一光学均匀和各相同性的单层介质膜 , 它有两个 平行的界面 , 上面是折 射率为 n1 的空气 , 中间是一层厚度为 d 折射率为

7、n2 的介质 膜，该介质膜均匀地附在折射率为n3的衬底上。当一束波长为入的激光以入射角 1射到膜面上时，在界面1和界面2上会形成多次反射和光在薄膜上的反射和折 射 : 分光计的调整对椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率的影响 41 折射 ，并且各反射和 折射光分别产生多光束干涉。其干涉结果反映了膜的光学特性。光 振动平行入射面的光 波叫p波，垂直入射面的光波叫s波（如图1 ）。根据电磁场的麦克1斯韦方程和边 界条件及菲涅耳反射系数公式，可推导出如下椭偏方程（过程略）：6 8 - i2- i2 （ rip + r2p e ） （ 1 + r1 s r2 s e ） RP A wei 二（1） tan

8、二 6 - i2 一 i2 RS 1 + rip r2p e （ r1 s + r2 s e ）其中甲和A称为椭偏参数并具有角度量值，是n1 , n2 , n3 , ,入和d的函数，由于n1 , n3 , 1入，为已知量，甲和A由实验中测取，采 用查表法（或计算机处理）即可计算出薄膜折射1 A率n2和厚度do的物理意义是： p波与s波的位相差在反射前后的变化，叫椭偏法的位W相参量；tg物理意义是：p 波与s波的振幅比在反射前后之比，叫椭偏法的振幅参量。2分光计的调整对椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率的影响 仪器调整的先后次序是 ： 先调整好分光计 ，然后依次 调整好激光电源、 检偏器、 起偏器、

9、 /4 波片。对分光计的调整要求用自准直法 ， 使望远镜和平行光管共轴并与载物台平 1） 行 （我们称为“ 精调” 。如果按照这样的要 求来完成该实验项目的话 ，在我校规定的 3 节 课时间内是不可能完成的。那么实验中必 须要对分光计进行“ 精调” ? 吗相对于“ 精调” 而言 ，如果直接凭人眼来调整分光 计的相关螺钉 ，使望远镜和平行光管共轴并与载物台平行 ，我们称之为“ 粗调” 。为 了说明问题 ，我分别用“ 精调 ” 粗调 ” 和“ 来进行测量 ，并用两个不同的样品在两 台不同的分光计上用不同的入射角进行四点测量 ：即先将 1 /4波片快轴置于45 ,仔 细调整检偏器A和起偏器P,使白屏

10、目镜内的亮点最暗，（记下A值和P值，这样可以 测得两组消光位置的数值，其中A值分别大于90 A1 ）和小（）于90 A2 ），所 对应的P值为P1和P2 ;然后将1 /4波片快轴转到- 45。即315 ，也可以（测 得两组消光位置的数值，其中A值分别大于90 A3 ）和小于90 A4 ），所对应的P值 为）P3和P4 （A和P值均应该在0 180 范围内，若出现大于180 ，则应减去180 。 四1913年英国物理学家布拉格父子研究x射线在晶面上的反射时，得到了著名的布拉格公式， 奠定了用x射线衍射对晶体结构分析的基础，并荣获了 1915年的诺贝尔物理学奖。衍射现象是所有波的共性，所以微波同样

11、可以产生布拉格衍射。微波的波长较x射线的波长 长7个数量级，产生布拉格衍射的“晶格”也比X衍射晶格大7个数量级。通过“放大了的 晶体” 模拟晶体研究微波的布拉格衍射现象，使我们可以更直观地观察布拉格衍射现象， 认识波的本质，也可以帮助我们深入理解x射线的晶体衍射理论。x射线投射到晶体上时，除了要引起晶体表面平面点阵的散射外，还要引起晶体内部平面点 阵的散射，全部散射线相互干涉后产生衍射条纹。如图B1-1,小圆点表示晶体点阵(原子 或离子)，当射线投射到晶体上时，按照惠更斯原理，所有点阵上格点成次级子波的波源， 向各方向发射散射波。产生于同一层点阵的散射线，在满足散射线与晶面之间夹角等于掠射 角

12、时，它们之间光程差为零，如图B1-1 (a)所示。由于相干的结果，在这方向上光强最大。 不同层散射线的光程差一般不同，如图B1-1 (b)所示。在某些方向上它们之间的光程差为 波长的整数倍,此时散射线相干加强形成亮纹.设相邻散射平面点阵的间距为d,则从两相邻平面点阵散射出来的x射线之间出来的光程差 为所以柟加强的条件为2d*sina=k*波长k=1.2.3 此即为布拉格衍射公式。式中a为掠 射角(投射线怀晶面之间的夹角)，k为干涉级数。它也是我们的微波布拉格衍射实验的基 本公式。五一.实验概述 核磁共振现象最早在 1946 年由美国斯坦福大学的 Bloch 和哈佛大学的 Purcell发现的，

13、他们因此获得了 1952年度的诺贝尔奖金具有磁矩的原子核位于恒定磁 场中时,一般将以一定 的角速度围绕磁场轴做进动并最终沿磁场方向趋向. 如果垂直于该 恒定磁场外加一弱交变磁场,则当交变场的圆频率w0和恒定磁场B0满足一定关系(wO 二g X BO , g为旋磁比)时，核磁矩将会沿着固定的轨道绕恒定磁场进动，同时出现能量 最大吸收随后，Bloch, Landau等科学家分别从这一经典的物理图像出发，给出了核磁共 振的经典描述.以后,又有了量子 力学的解释.今天,核磁共振已经成为研究物质结构,研究 原子核的磁性，进行各种化合物的分析和鉴定，测定各种原子核磁矩以及进行医学诊断的有 利工具 六光泵磁

14、共振实验又称光磁共振实验。光泵磁共振的基本思想是法国物理学家卡斯特勒(A.Kastlar)在50年代提出，它利用光抽运(Optical Pumping)效应来研究原子基态和 激发态的超精细结构塞曼子能级间的磁共振。本实验通过观察光抽运信号和磁共振信号，测 量g因子，加深对原子态、光抽运、磁共振、布居数差、圆偏振光、超精细结构等物理概念 和物理规律的理解。光抽运磁共振光探测技术是原子结构研究的重要手段，光抽运技术在激 光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要应用。卡斯特勒也因此荣获1966年诺贝尔 物理学奖。本实验目的是：了解光泵磁共振的实验原理，通过实验加深对铷原子(Rb)超精细结构、光抽

15、运及磁共振的理解。测量铷(Rb)原子的gF因子及地磁场的大小。七电子是具有一定质量和带负电荷的一种基本粒子，它能进行两种运动；一种是在围绕原子核 的轨道上运动，另一种是对通过其中心的轴所作的自旋。由于电子的运动产生力矩，在运动 中产生电流和磁矩。在外加恒磁场H中，电子磁矩的作用如同细小的磁棒或磁针，由于电子 的自旋量子数为1/2,故电子在外磁场中只有两种取向：一与H平行，对应于低能级，能量 为- 1/2gBH； 与H逆平行，对应于高能级，能量为+1/2gBH,两能级之间的能量差为gBH。 若在垂直于H的方向，加上频率为v的电磁波使恰能满足hv二gBH这一条件时，低能级的电 子即吸收电磁波能量而

16、跃迁到高能级，此即所谓电子顺磁共振。在上述产生电子顺磁共振的 基本条件中，h为普朗克常数，g为波谱分裂因子(简称g因子或g值)，B为电子磁矩的 自然单位，称玻尔磁子。以自由电子的g值=2.00232,B=9.2710X10-21尔格/高斯， h=6.62620X10-27尔格秒，代入上式，可得电磁波频率与共振磁场之间的关系式：(兆赫) =2.8025H (高斯)八(1) 光源必须是相干光源 通过前面分析知道，全息照相是根据光的干涉原理，所以要求光源必须具有很好的相干性。 激光的出现，为全息照相提供了一个理想的光源。这是因为激光具有很好的空间相干性和时 间相干性，实验中采用He-Ne激光器，用其拍摄较小的漫散物体，可获得良好的全息图。(2) 全息照相系统要具有稳定性 由于全息底片上记录的是干涉条纹，而且是又细又密的干涉条纹，所以在照相过程中极