四个近代实验讲解1

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1、实验实验05 05 塞塞 曼曼 效效 应应 实实 验验实验实验06 06 电子顺磁共振电子顺磁共振实验实验实验实验07 07 光光 磁磁 共共 振振 实实 验验实验实验08 08 单单 光光 子子 计数计数实验实验1实验分组：实验分组：( (二个大组二个大组) )第第0101组，共组，共1313人人每周二每周二 15 15：50185018：505020104741 20104741 李崇李崇20104742 20104742 雷熊雷熊20104743 20104743 蒋可军蒋可军20104744 20104744 关彬关彬20104745 20104745 申艾麟申艾麟20104746 2

2、0104746 夏铭伟夏铭伟20104747 20104747 瞿珂瞿珂20104749 20104749 邵勇邵勇20104751 20104751 赵硕赵硕20104752 20104752 渠广昊渠广昊20104753 20104753 裴岩松裴岩松20104754 20104754 徐利军徐利军20104755 20104755 辛晓军辛晓军第第0202组，共组，共1212人人每周二每周二 19 19：00220022：000020104756 20104756 柯尊辰柯尊辰20104757 20104757 唐德君唐德君20104758 20104758 李勇李勇20104759 2

3、0104759 梁含笑梁含笑20104760 20104760 王大为王大为20104762 20104762 何阳何阳20104763 20104763 刘承朋刘承朋20104764 20104764 唐小舒唐小舒20104765 20104765 任志远任志远20104766 20104766 黄康黄康20104767 20104767 冉政冉政20104768 20104768 冉超冉超2第第0101组组 实验课表实验时间实验日期 实验05 塞曼效应 实验06电子顺磁共振 实验07光磁共振 实验08单光子计数15：50 18：50第12周星期二 11月20日李崇 雷熊蒋可军 关彬申艾麟夏

4、铭伟 瞿珂邵勇 赵硕渠广昊裴岩松 徐利军辛晓军第13周星期二 11月27日申艾麟夏铭伟 瞿珂李崇 雷熊蒋可军 关彬裴岩松 徐利军辛晓军邵勇 赵硕渠广昊第14周星期二 12月4日邵勇 赵硕渠广昊裴岩松 徐利军辛晓军李崇 雷熊蒋可军 关彬申艾麟夏铭伟 瞿珂第15周星期二 12月11日裴岩松 徐利军辛晓军邵勇 赵硕渠广昊申艾麟夏铭伟 瞿珂李崇 雷熊蒋可军 关彬3第第0202组组 实验课表实验时间实验日期 实验05 塞曼效应 实验06电子顺磁共振 实验07光磁共振 实验08单光子计数19：00 22：00第12周星期二 11月20日柯尊辰 唐德君李 勇梁含笑 王大为何 阳刘承朋 唐小舒任志远黄康 冉政

5、冉超第13周星期二 11月27日梁含笑 王大为何 阳柯尊辰 唐德君李 勇黄康 冉政冉超刘承朋 唐小舒任志远第14周星期二 12月4日刘承朋 唐小舒任志远黄康 冉政冉超柯尊辰 唐德君李 勇梁含笑 王大为何 阳第15周星期二 12月11日黄康 冉政冉超刘承朋 唐小舒任志远梁含笑 王大为何 阳柯尊辰 唐德君李 勇4上上 课课 规规 定定 ：1 1，进，进 入入 实实 验验 室室 后后 先先 签签 到到；2 2，提，提 前前 写写 好好 预预 习习 报报 告告， 课课 上上 完完 成成并并提交提交实验报告。实验报告。 注注 意意 事事 项项 ：1 1，爱护仪器：爱护仪器：正确使用，操作轻缓正确使用，操

6、作轻缓；2 2，防止损坏：防止损坏：严禁猛力严禁猛力扭、扳、拉、扯；扭、扳、拉、扯；3 3，实验完毕实验完毕，整理仪器：整理仪器： 所所 有有 电流电流 、电压电压 旋旋 钮钮 回回 零零， 所所 有有 锁紧锁紧松开松开，仪器，仪器摆放整齐摆放整齐；5预习报告的内容：预习报告的内容：1 1，实，实 验验 题题 目；目；2 2，实，实 验验 目目 的；的；3 3，实，实 验验 仪仪 器；器；4 4，实，实 验验 原原 理；理； ( (完完 整、简整、简 明、扼明、扼 要要 地地 叙叙 述述 有有 关关 物理过程物理过程 、 物理现象物理现象 、 物理关系物理关系 ， 给给 出出 必必 要要 的的

7、 关系式关系式 、 电路图电路图 、 光路图光路图 等等 ) )6实验报告的内容：实验报告的内容：1 1，实验步骤和内容，实验步骤和内容 ( (标题式标题式的的简述简述“主要主要步骤和内容步骤和内容”)”)2 2，数据处理，实验结果，数据处理，实验结果 ( (数数 据据 表表 格格，计计 算算 公公 式式， 代代 入入 数数 据据 及及 量量 纲纲， 计算结果计算结果，实验曲线实验曲线，等，等 ) )3 3，误，误 差差 分分 析析（选（选 做）做）7实验实验05 05 塞塞 曼曼 效效 应应 实实 验验一、电流环的一、电流环的磁矩磁矩，磁矩磁矩在在磁场磁场中的中的势能势能二、量二、量 子子

8、理理 论论 的的 简简 单单 回回 顾，顾， 德布罗意德布罗意关系关系，物理量取值的物理量取值的量子化量子化三、原三、原 子子 能能 级级 在在 磁磁 场场 中中 的的 分分 裂裂 ， 塞塞 曼曼 效效 应应 ，光光 的的 产产 生生四、四、法布里法布里- -珀罗标准具珀罗标准具 测测 光光 的的 波波 长，长， 电电 子子 荷荷 质质 比比 的的 测测 量量五、五、实实 验验 仪仪 器器 介介 绍绍六、六、实验步骤实验步骤，实验内容实验内容，数据记录数据记录，实验报告实验报告8一、电流环的一、电流环的磁矩磁矩，磁矩磁矩在在磁场磁场中的中的势能势能磁磁 矩矩 的的 大大 小小 ： I S (安

9、安米米2)S磁矩磁矩在在磁场磁场中的中的势能势能 ：I9 当被讨论对象当被讨论对象物理量的大小物理量的大小在数量级上在数量级上 与与 普普 朗朗 克克 常常 量量 可可 以以 比比 拟拟 时时 ，被讨论对象进入被讨论对象进入 ( (属于属于) )“微观世界微观世界( (量子世界量子世界)”)”，此时，此时，量子现象量子现象、量子效应量子效应和和量子规律量子规律等等 将将 发发 挥挥 作作 用用 而而 不不 能能 被被 忽忽 略略 。二二 、量、量 子子 理理 论论 的的 简简 单单 回回 顾，顾， 德布罗意德布罗意关系关系，物理量取值的物理量取值的量子化量子化普朗克常数：普朗克常数：h h6.

10、626106.62610- -34 34 JSJS10其中，其中，普朗克常数普朗克常数 h h 6.626106.62610-34 -34 JsJs1 1，德德 布布 罗罗 意意 关关 系系德德 布布 罗罗 意意 关关 系系 ：具具 有有 一一 定定 能能 量量 E E 和和 动动 量量 p p 的的 微微 观观 粒粒 子，子，与频率与频率 ，波长，波长 入入 的波的波( (几率波几率波) )的相互关系为：的相互关系为：11p p2 2/2m/2mH=T+VH=T+V2 2，力，力 学学 量量 用用 算算 符符 表表 示示 ，物物 理理 量量 ( (取值取值) ) 的量子化的量子化在在 坐坐

11、标标 表表 象象 中中 ( (算算符符的的坐坐标标表表象象) ) ， 各各 物物 理理 量量 的的 算算 符符 ：12在在 量量 子子 状状 态态 下下 ， 所所 讨讨 论论 对对 象象 的的 物物 理理 量量只能只能 取取 有一定规律的、有一定规律的、间断间断 ( (分立分立, ,台阶台阶, ,量子化量子化) )的的无无 限限 多多 个个 可可 能能 值值，每每 个个 取值取值 有有 一一 定定 的的 概概 率率，此称为此称为“物理量的量子化取值物理量的量子化取值”。 物物 理理 量量 ( (取值取值) ) 的的 量量 子子 化化 ：13三三 、原、原 子子 能能 级级 在在 磁磁 场场 中

12、中 的的 分分 裂裂 ， 塞塞 曼曼 效效 应应 ，光光 的的 产产 生生1 1 ， 原子原子 的的 ( (总总) )角动量角动量 P PJ J 和和 ( (总总) )磁矩磁矩 J J 在原子中，在原子中，原原 子子 核核 的的 磁磁 矩矩 远远小于远远小于 电子电子的的轨道磁矩轨道磁矩和和自旋磁矩自旋磁矩。不不 考考 虑虑 原原 子子 核核 的的 磁磁 矩矩 ， 电子电子的的轨道磁矩轨道磁矩和和自旋磁矩自旋磁矩之和，之和，就就 是是 原原 子子 的的 总总 磁磁 矩矩 。同同 样，电样，电 子子 的的 轨轨 道道 角角 动动 量量 ， 就就 是是 原原 子子 的的 总总 角角 动动 量。量。

13、 ( (角角 动动 量量 定定 义：义： ) )14 电电 子子 的的 自旋磁矩自旋磁矩 和和 自旋角动量自旋角动量：自旋量子数自旋量子数 S S0 0，1 1，2 2，3 3， 电电 子子 的的 轨道磁矩轨道磁矩 和和 轨道角动量轨道角动量：轨道量子数轨道量子数 L L0 0，1 1，2 2，3 3，15 原子的原子的( (总总) )磁矩磁矩、( (总总) )角动量角动量和和( (总总) )能量能量( (能级能级) )：量子数量子数 g g ：朗德因子朗德因子总磁矩总磁矩：量子数量子数 J J L LS S 0 0，1 1，2 2，3 3，总角动量总角动量和和总能量总能量( (能级能级) )

14、：162 2，原子，原子 能级能级 在磁场中的在磁场中的 分裂分裂，塞曼效应塞曼效应将将原子原子放于放于外磁场外磁场时，时，各能级各能级将获得将获得附加能量附加能量：x xy y17按量子规则，按量子规则，cos cos 只能取只能取间断间断、连续连续的的整数值整数值， 此此 为为 “ “ 空空 间间 量量 子子 化化 ” ”，所以有所以有量子数量子数 M M = =J J，J J1 1，(J J1)1)，- -J J， 共共 (2 (2J J1) 1) 个个 取取 值值 。所所 以以 各各 能能 级级 的的 附附 加加 能能 量量 为为 ：“一个能级分裂单位一个能级分裂单位”定义：定义：18

15、塞塞 曼曼 效效 应应，原，原 子子 能级分裂能级分裂 示示 意意 图：图：E E1 1, , M M0 0 共共(2(2J J+1)=3+1)=3条条E E0 0, , M M0 0 ：E Ek k, , M M0 0 ：共共(2(2k k+1)+1)条条E E2 2, , M M0 0 共共(2(2J J+1)=5+1)=5条条J J0 0，E E0 0J J1 1，E E1 1J J2 2，E E2 2J Jk k，E Ek k 无无磁场磁场时能级时能级: :共共(2(2J J+1)=1+1)=1条条 有有磁场磁场时时, ,能级能级分裂分裂: :193 3，粒子在，粒子在能级间能级间的跃

16、迁的跃迁，光的产生，光的产生以以J J2 2能级能级向向J J0 0能级能级的跃迁为例的跃迁为例入入2 2无无磁场磁场时，只有波长时，只有波长入入2 2的光；的光；有有磁场磁场时，共有时，共有5 5种波长种波长的光。的光。E E0 0, , M M0 0 E E2 2, , M M0 0 E E1 1, , M M0 0 J J0 0J J1 1J J2 220四四 、法布里法布里- -珀罗标准具珀罗标准具测光的波长，测光的波长， 电电 子子 荷荷 质质 比比 的的 测测 量量法布里法布里- -珀罗标准具珀罗标准具又称又称 法布里法布里- -珀罗干涉仪珀罗干涉仪 ， 简简 称称“F-P “F-

17、P 标标 准准 具具”、“F-P“F-P干干 涉涉 仪仪”，是利用是利用 多光束干涉多光束干涉 测量测量 微小波长差微小波长差 的的 仪器。仪器。d d单波长单波长多方向光线多方向光线的的衍射图样衍射图样( (同心圆环同心圆环) )k k 级圆环级圆环一个波长一个波长的的多条光线多条光线中，中，某某 个个 方方 向向 的的一条光线一条光线21无无 磁磁 场场 时，时，单波长的单波长的圆环：圆环：波长入，波长入，k+1k+1级圆环级圆环波长入，波长入，k+1k+1级圆环级圆环波长入，波长入，k k级圆环级圆环波长入，波长入，k k级圆环级圆环D Dk+1k+1D Dk k其中其中 为一个常数，为

18、一个常数， 需由实验具体测定。需由实验具体测定。进进 而而 有有 ：有有 以以 下下 关关 系：系：22有有 磁磁 场场 时，时，多波长的多波长的圆环：圆环：入入1 1，k+1k+1级圆环级圆环入入2 2，k+1k+1级圆环级圆环入入4 4，k+1k+1级圆环级圆环入入5 5，k+1k+1级圆环级圆环入入3 3，k+1k+1级圆环级圆环入入3 3，k+1k+1级圆环级圆环入入1 1，k k级圆环级圆环入入2 2，k k级圆环级圆环入入3 3，k k级圆环级圆环入入4 4，k k级圆环级圆环入入5 5，k k级圆环级圆环入入3 3，k k级圆环级圆环由由德布罗意关系德布罗意关系 ，得：得：所以，

19、对所以，对 同同 级级 圆环圆环中任意中任意 相邻圆环相邻圆环的的能量差能量差为：为：可得：可得：再由：再由：23五五 、实、实 验验 仪仪 器器 介介 绍绍1 1，FP FP 标标 准准 具具法法- -珀板间距珀板间距d d40mm40mm；透透 镜镜 焦焦 距距 f80mm80mm；2 2，望，望 远远 镜镜视场放大倍数：视场放大倍数：6 6 倍；倍；主尺主尺长度长度：1 1 cm cm主尺主尺最小分度值最小分度值：1 1mmmm测距鼓轮测距鼓轮最小分度值最小分度值：0.010.01mmmm；24六、六、实验步骤实验步骤，实验内容实验内容，数据记录数据记录，实验报告实验报告1 1，熟，熟

20、悉悉 实实 验验 仪仪 器器 。2 2，调，调望远镜目镜望远镜目镜，看清，看清分划线分划线( (三横一竖三横一竖) )。3 3，打开，打开汞灯电源汞灯电源，测，测绿光的波长绿光的波长。 ( (绿光波长参考值绿光波长参考值 入入546.1nm546.1nm) )（1 1）调）调 整整 F - P F - P 标标 准准 具具 和和 望望 远远 镜镜 ， 在视场中看到在视场中看到清晰、尖锐清晰、尖锐的的同心同心绿圆绿圆环环。25（2 2）数）数 据据 记记 录录 , , 实实 验验 报报 告告x x0 0x x1 1x x2 2x x4 4x x3 3x x0 0 mm mm， x x1 1 mm

21、 mm， x x3 3 mm mm， x x4 4 mm mm26D D2 2D D3 3D D4 4计计 算算 二二 次次 绿绿 光光 的的 波波 长。长。法法- -珀板间距珀板间距d d40mm40mm，透镜焦距透镜焦距 f f80mm80mm；27（1 1）调整）调整磁场强度磁场强度，观察观察圆环圆环粗细的变化粗细的变化， 找找 到到 使使 圆圆 环环 最最 粗粗 的的 磁磁 场场 ， 用用 高高 斯斯 计计 测量测量 并并 记记 录录 磁场的磁场的大小大小。4 4，打，打 开开 磁磁 场场 电电 源，测源，测 电电 子子 的的 荷荷 质质 比比。 ( (电子荷质比参考值电子荷质比参考值

22、 ) )入入1 11 1级级入入1 12 2级级入入1 13 3级级入入1 11 1级级入入1 12 2级级入入1 13 3级级入入9 91 1级级入入9 92 2级级入入9 93 3级级入入9 91 1级级入入9 92 2级级入入9 93 3级级28（2 2）测）测 量量 入入1 1 、入入9 9（各各 测测 一一 次次），）， 计计 算算 电电 子子 的的 荷荷 质质 比（比（e/me/me e）。本本 实实 验验 计计 算算 中，中， 取取 g g 1 1 。 本本 实实 验验 讲讲 解解 结结 束束光速光速 c c 310 3108 8m/s, m/s, B B T T29实实 验验

23、02 02 电电 子子 顺顺 磁磁 共共 振振 实实 验验一，物一，物 质质 磁性磁性 的的 来来 源，源，顺顺 磁磁 性性 物物 质质二、二、原子能级原子能级的的共振跃迁，电子顺磁共振共振跃迁，电子顺磁共振现象现象 ( (顺磁性物质原子顺磁性物质原子对电磁波能量的对电磁波能量的共振吸收共振吸收) )三、三、实验步骤实验步骤，实验内容实验内容，数据记录数据记录，实验报告实验报告30一，物一，物 质质 磁性磁性 的的 来来 源，源，顺顺 磁磁 性性 物物 质质原子原子的的磁性磁性来源于来源于原子磁矩原子磁矩。 原子中各个原子中各个电子电子的的自旋磁矩自旋磁矩和和轨道磁矩轨道磁矩耦合成为耦合成为总

24、电子磁矩总电子磁矩。 同原子中同原子中所有电子所有电子的的总磁矩总磁矩相比，相比，原子核原子核的的磁矩很小磁矩很小，可以略去不计可以略去不计。 所所 以以 原原 子子 的的 总总 磁磁 矩矩 由由 原原 子子 中中所有所有电子电子的的轨道磁矩轨道磁矩和和自旋磁矩自旋磁矩所决定。所决定。31 当原子组成分子或固体时，当原子组成分子或固体时，某些分子、离子或某些分子、离子或自由基自由基中，中，含有一个或几个含有一个或几个未成对电子未成对电子， 它们的它们的磁矩磁矩不能互相抵消不能互相抵消， 将将 构构 成成 总总 电电 子子 磁磁 矩矩。 含有这种含有这种未成对电子未成对电子的原子、离子、分子、的

25、原子、离子、分子、 自自 由由 基基 等顺磁性粒子的物质，等顺磁性粒子的物质，为为顺磁性物质顺磁性物质，才能观察到，才能观察到顺磁共振顺磁共振现象。现象。 32量子数量子数 g g ：朗德因子朗德因子 由原子物理知，原子的由原子物理知，原子的( (总总) )磁矩磁矩与与( (总总) )角动量角动量的关系：的关系：总磁矩总磁矩：量子数量子数 J J L LS S 0 0，1 1，2 2，3 3，总角动量总角动量和和总能量总能量( (能级能级) )：二、二、原子能级原子能级的的共振跃迁，电子顺磁共振共振跃迁，电子顺磁共振现象现象 ( (顺磁性物质原子顺磁性物质原子对电磁波能量的对电磁波能量的共振吸

26、收共振吸收) )33 将将 原原 子子 放放 于于 外外 磁磁 场场 时时 ，各能级各能级将获得将获得附加能量附加能量，形成，形成新的能级新的能级( (塞曼能级塞曼能级，磁能级，磁能级) )：x xy y34按量子规则，按量子规则，cos cos 只能取只能取间断间断、连续连续的的整数值整数值， 此此 为为 “ “ 空空 间间 量量 子子 化化 ” ”，所以有所以有量子数量子数 M M = =J J，J J1 1，(J J1)1)，- -J J， 共共 (2 (2J J1) 1) 个个 取取 值值 。所所 以以 各各 磁磁 能能 级级 的的 附附 加加 能能 量量 为为 ：“一个能级分裂单位一

27、个能级分裂单位”定义：定义：35这这 样样 ，各，各 磁磁 能能 级级 间间 的的 能能 量量 差差 为为 ：即：磁场中的原子，其即：磁场中的原子，其 能级差能级差 为为 。定义：定义：36再再 将将 原原 子子 放放 入入 电电 磁磁 ( (波波) ) 场场 中中 ，原子将原子将吸收吸收电磁电磁( (波波) )场能量而发生能级场能量而发生能级跃迁跃迁， 此此 称称 “共共 振振 吸吸 收收”、“共共 振振 跃跃 迁迁”。当当电磁电磁( (波波) )场的能量场的能量等于等于上述上述能量差能量差时，时，所以，所以，电子顺磁共振电子顺磁共振的的共振条件共振条件为：为：也即也即共振条件共振条件为：为

28、：37三、三、实验步骤实验步骤，实验内容实验内容，数据记录数据记录，实验报告实验报告1 1，熟悉仪器和，熟悉仪器和仪器连接仪器连接，熟练使用熟练使用示波器。示波器。3 3，调整，调整微波源微波源和和谐振腔谐振腔进入谐振状态，进入谐振状态， 用用 示示 波波 器器 观观 察察 谐谐 振振 信信 号号 。2 2，打开，打开电子顺磁共振谱仪电子顺磁共振谱仪电源，预热电源，预热1010分钟。分钟。(1)(1)打打 开开 示示 波波 器器 电电 源源 ， 输入通道输入通道藕合方式藕合方式置置“直流直流(DC)(DC)档档”, , 伏伏/ /格格 旋钮旋钮 选择选择 200mV 200mV/ /500mV

29、500mV， 秒秒/ /格格 旋钮旋钮 选择选择 2.5ms2.5ms/ /5ms5ms/ /10ms10ms。(2)(2)调调调谐螺丝调谐螺丝(3(3个个) )及及螺杆螺杆，使谐振信号，使谐振信号最大最大；反复上述操作反复上述操作，使，使 谐振信号谐振信号 最最 大大。调调短路活塞短路活塞，使，使 谐谐 振振 信信 号号 最最 小小。38晶晶体体检检波波器器Q9Q9头头( (接示波器接示波器) )检波检波二极管二极管微微 波波 源源( ( 共共 振振 源源 ) )9370M9370MHzHz谐谐 振振 腔腔图3.1-18 谐振腔中驻波示意图三个调节三个调节( (调谐调谐) )螺丝螺丝调节调节

30、( (调谐调谐) )螺杆螺杆短路活塞短路活塞394 4，搜搜 索索 、观、观 察察 电电 子子 顺顺 磁磁 共共 振振 信信 号号， 测测 量量 DPPH DPPH 样样 品品 的的 朗朗 德德 因因 子子 g g 。(1) (1) 示波器示波器 输入通道输入通道藕合方式藕合方式置置“交流交流(AC)(AC)档档”， 伏伏/ /格格 旋钮旋钮 选择选择 2mV2mV/ /5mV5mV/ /10mV10mV/ /20mV20mV， 秒秒/ /格格 旋钮旋钮 选择选择 1ms1ms/ /2.5ms2.5ms/ /5ms5ms/ /10ms10ms 。(2) (2) 加加 上上 适适 当当 的的 扫

31、扫 场场 ， 形成形成可用示波器可用示波器显示的显示的共振信号共振信号波形波形 。(4) (4) 用用 高斯计高斯计 测量测量 磁场磁场(B(B0 0) ) 并并记录记录磁场的值。磁场的值。(3)(3)缓缓 慢慢 调调 整整 励磁电流励磁电流( (外加磁场外加磁场) ) 的的 大小大小 ， 寻寻 找找 、观、观 察察 电电 子子 顺顺 磁磁 共共 振振 信信 号号。 （ 共振谱仪共振谱仪的的“扫描调节扫描调节”放于合适的位置；放于合适的位置； 外置信号源外置信号源信号输出选信号输出选50Hz50Hz正弦正弦 ， 幅幅 值值 旋旋 钮钮 小小 于于 满满 偏偏 的的 一一 半半。 ）40微微 波

32、波 源源( ( 共共 振振 源源 ) )9370M9370MHzHz谐谐 振振 腔腔短路活塞短路活塞DPPHDPPH样品样品直流调节直流调节 扫描调节扫描调节直流输出直流输出扫描输出扫描输出直流输出直流输出：励磁电流，励磁电流，形成形成稳恒稳恒的的水平磁场水平磁场， 产生产生 能能 级级 分分 裂裂，形，形 成成 磁磁能级能级。扫扫 描描 输输 出出：在在 微微 波波 源源 信信 号号 上上 迭迭 加加 一一 个个 小小 的的 低低 频频 微扰信号微扰信号 ( ( 数十数十Hz)Hz)，形成形成可用示波器显示可用示波器显示的的共振信号共振信号。41未未 发发 生生 完完 美美 共共 振振 时时

33、 示示 波波 器器 波波 形：形：发发 生生 完完 美美 共共 振振 时时 示示 波波 器器 波波 形：形：共振谱仪内共振谱仪内的扫场的扫场外置信号源的外置信号源的扫场扫场42(5) (5) 实实 验验 报报 告告 ： 普朗克常数：普朗克常数：h h6.62610-34 JS6.62610-34 JS 共振频率共振频率 9.37010 9.370109 9HzHz， 共振磁场共振磁场 B B0 0 T T 计算计算DPPHDPPH样品样品的的朗德因子朗德因子 g g ：测量要求测量要求：测量值：测量值 “ g 2.0 “ g 2.0 (1.5 2.5)(1.5 2.5) ” ”。 本本 实实

34、验验 讲讲 解解 结结 束束43实实 验验 07 07 光光 磁磁 共共 振振 实实 验验一、实验原理一、实验原理( (光磁共振光磁共振，双共振双共振，光抽运光抽运) )二二 、 实实 验验 仪仪 器器 介介 绍绍三、三、实验步骤实验步骤，实验内容实验内容，数据记录数据记录，实验报告实验报告44一、实验原理一、实验原理( (光磁共振光磁共振，双共振双共振，光抽运光抽运) ) 在磁场中，在磁场中，塞曼分裂塞曼分裂导致的导致的磁能级间距磁能级间距通常通常比较小比较小，因此，因此，产生产生磁共振现象磁共振现象所需的能量通常位于所需的能量通常位于微波微波或或射频射频波段波段， 这这 个个 频频 段段

35、的的 共共 振振 又又 称称 为为 “赫赫 兹兹 共共 振振”。 对于对于磁共振信号磁共振信号很微弱很微弱的样品的样品( (比如比如气体样品气体样品) )，此波段的此波段的电磁波能量电磁波能量要比要比光频段的能量光频段的能量小得多，小得多，普通的光谱仪器根本普通的光谱仪器根本无法分辨无法分辨，所以，所以很难探测很难探测。45 光磁共振实际上是使原子、分子的光磁共振实际上是使原子、分子的光光( (学频率学频率) )共振共振与射频或微波频率的与射频或微波频率的磁共振磁共振同时发生的一种同时发生的一种双共振现象双共振现象。 在在 光光 泵泵 磁磁 共共 振振 技技 术术 中中 ，一方面一方面光抽运光

36、抽运改变了磁能级上的改变了磁能级上的粒子数分布粒子数分布( (粒子数反转粒子数反转) )， 使使 更更 多多 的的 粒粒 子子 参参 与与 磁磁 共共 振振 ，另一方面采取另一方面采取光探测的方法光探测的方法而而不直接测量不直接测量射频量子，射频量子， 从从 而而 克克 服服 了了 磁磁 共共 振振 信信 号号 弱弱 的的 缺缺 点点 ， 把把 探探 测测 灵灵 敏敏 度度 提提 高高 了了 七七 八八 个个 数数 量量 级，级， 同同 时时 又又 保保 持持 了了 磁磁 共共 振振 分分 辩辩 率率 高高 的的 优点优点 。 46 光光 ( (泵泵) ) 磁磁 共共 振振 所所 用用 的的

37、方方 法法 ，与与核磁共振核磁共振、电子顺磁共振电子顺磁共振相比，有相比，有二个重要的差别二个重要的差别：第一，在相邻两个塞曼能级之间粒子数之差第一，在相邻两个塞曼能级之间粒子数之差 不不 再再 由由玻尔兹曼玻尔兹曼 分布分布决定决定，而是利用，而是利用光抽运光抽运的方法，使相邻能级之间的的方法，使相邻能级之间的 粒粒 子子 数数 差差 额额 增增 加加 了了 几几 个个 数数 量量 级级 ；第二，磁共振不是通过样品磁偶极矩跃迁第二，磁共振不是通过样品磁偶极矩跃迁 所辐射或吸收的功率所辐射或吸收的功率 大小来检测，而是大小来检测，而是测量测量共振之后所发生的通过样品吸收共振之后所发生的通过样品

38、吸收池池 的的偏振光强度偏振光强度的变化，的变化，又使信号功率提高了又使信号功率提高了7 7 8 8 个个数量数量级。级。正因为如此，正因为如此，光光 泵泵 磁磁 共共 振振 能在能在弱磁场弱磁场(0.1(0.11mT)1mT)下下 精确检测气体原子能级的精确检测气体原子能级的超超 精精 细细 结结 构构 。47 由于这种方法最早实现了由于这种方法最早实现了粒子数反转粒子数反转，成，成了发明了发明激光器的先导激光器的先导，所以，所以卡斯特勒卡斯特勒被人们誉为被人们誉为“激光之父激光之父”。19661966年诺贝尔物理学奖授予年诺贝尔物理学奖授予卡斯卡斯特勒特勒（Alfred KastlerAl

39、fred Kastler，1902198419021984），以表彰），以表彰他发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法。他发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法。本实验本实验的研究对象是的研究对象是碱金属原子碱金属原子铷铷(Rb)(Rb)的的蒸汽蒸汽， 天天 然然 铷铷 中中 含含 量量 大大 的的 同同 位素位素 有有 两两 种种 ： 85 85Rb Rb 占占 72.15% 72.15% ，8787Rb Rb 占占 27.85% 27.85%。48 主体单元主体单元二二 、 实实 验验 仪仪 器器 介介 绍绍 主电源主电源去主体单元去主体单元 辅助电源辅助电源水平稳场水平稳场电流调节电

40、流调节垂直稳场垂直稳场电流调节电流调节水平扫场水平扫场电流调节电流调节水平扫场水平扫场输出波形输出波形背背板板连连线线由由 函数信号发生器函数信号发生器控制控制 示示 波波 器器 函数信号发生器函数信号发生器 ( (代代射频信号器射频信号器， 为为 共共 振振 源源 ) )三个磁场三个磁场方向切换方向切换三个三个线圈的线圈的加电加电: :1,1,水平水平扫场扫场线圈线圈, ,形成形成可用示波器显示可用示波器显示的波形的波形; ;2,2,水平水平稳场稳场线圈线圈, ,形成形成磁能级磁能级的的磁场磁场; ;3,3,垂直垂直稳场稳场线圈线圈, ,消除消除地磁场地磁场的影响的影响; ;辅助电源辅助电源

41、及及三个三个部件的部件的加电加电: :1,1,铷灯铷灯; 2,; 2,铷泡铷泡; 3,; 3,光电池光电池及及电路板电路板; ; 二组二组线圈线圈, ,二个二个磁场磁场: : 水平水平扫场扫场, , 水平水平稳场稳场垂直垂直稳场稳场, ,消除消除地磁场地磁场发生发生共振共振时时条件条件为：为：49三、三、实验步骤实验步骤，实验内容实验内容，数据记录数据记录，实验报告实验报告1 1，熟悉仪器和，熟悉仪器和仪器连接仪器连接，熟练使用熟练使用示波器示波器 。2 2，主电源主电源和和辅助电源辅助电源所有电流旋钮所有电流旋钮回回“零零”。3 3，开，开主电源主电源电源，电源，按下按下辅助电源辅助电源“池

42、温池温”按键，按键， 等待等待“灯温灯温”、“池温池温”灯亮灯亮( (约需等待数分钟约需等待数分钟) )。4 4，用，用 示示 波波 器器 观观 察察 光光 抽抽 运运 信信 号。号。（1 1）垂垂 直直 稳稳 场场 电电 流流 置置 0.07A 0.07A 。（2 2）扫扫 场场 波波 形形 选选“方波方波”。（3 3）调节）调节扫场幅度扫场幅度，用，用示波器示波器观察观察光抽运光抽运信号。信号。50未发生完美抽运未发生完美抽运时的信号波形时的信号波形完美抽运完美抽运时的信号波形时的信号波形515 5，观，观 察察 光光 磁磁 共共 振振 信信 号，记号，记 录录 数数 据，据， 计计 算算

43、 8585RbRb 和和 8787RbRb 的的 朗朗 德德 因因 子子。（1 1）水平稳场水平稳场电流选电流选 0.10A/0.15A/0.2A 0.10A/0.15A/0.2A。（2 2）垂垂 直直 稳稳 场场 电电 流流 置置 0.07A 0.07A 。（3 3）扫扫 场场 波波 形形 选选“ “ 三三 角角 波波”。（4 4）函数信号发生器）函数信号发生器频率档频率档选选 1M1M， 信信 号号 幅幅 度度 小于小于 满偏的一半满偏的一半，打开其电源打开其电源。52（5 5）选）选 择择 水平稳场水平稳场 的的 方向方向 为为 弹起弹起 ， 调节调节函数信号发生器函数信号发生器的的输出

44、频率输出频率， ( (频率扫描范围频率扫描范围50KHz50KHz1390KHz1390KHz) ) 寻找寻找8585RbRb 和和 8787RbRb 的的光磁共振信号光磁共振信号， 记记 录录 数数 据据 并并 填填 入入 表表 01 01 。（6 6）选）选 择择 水平稳场水平稳场 的的 方向方向 为为 按下按下 ， 调节调节函数信号发生器函数信号发生器的的输出频率输出频率， ( (频率扫描范围频率扫描范围50KHz50KHz1390KHz1390KHz) ) 寻找寻找8585RbRb 和和 8787RbRb 的的光磁共振信号光磁共振信号， 记记 录录 数数 据据 并并 填填 入入 表表

45、01 01 。53未完美共振未完美共振时的信号波形时的信号波形完美共振完美共振时的信号波形时的信号波形54表表01 01 8585RbRb 和和 8787RbRb 光磁光磁共振频率共振频率记录表记录表 ( (水平稳场电流水平稳场电流 I I A) A)（6 6）数）数 据据 处处 理理 , , 实实 验验 报报 告告 。55水平稳场的大小：水平稳场的大小：I I A A， N N 250 250， r r 0.2387m 0.2387m8585RbRb的朗德因子：的朗德因子：8585RbRb的朗德因子：的朗德因子：h h 6.62610 6.62610-34 -34 JSJS参考理论值参考理论

46、值： g g85851/31/3， g g87871/21/2 本本 实实 验验 讲讲 解解 结结 束束56实实 验验 08 08 单单 光光 子子 计计 数数 实实 验验一、实一、实 验验 原原 理理（阈值电平）（阈值电平）1 1，单单 光光 子子 峰峰 和和 热热 噪噪 声声 光光 子子572 2，影影 响响 光子计数率光子计数率 的的 因因 素素（1 1）光电倍增管的）光电倍增管的温度值温度值( (环境温度环境温度) )；（2 2）光电倍增管的）光电倍增管的高压值高压值；（3 3）光电倍增管的）光电倍增管的阈值电平阈值电平；3 3，光电倍增管，光电倍增管 的的 信信 噪噪 比比其中，其中

47、，N Nd d 称称 暗计数率暗计数率 ，是是关闭关闭入射光源时的计数率，入射光源时的计数率， N Nt t 称称 计计 数数 率率 ，是，是 有有 入入 射射 光光 时时 的的 计计数率。数率。58二、二、实验步骤实验步骤，实验内容实验内容，数据记录数据记录，实验报告实验报告2 2，先开，先开水泵水泵，让水循环，让水循环2 23 3分钟分钟。3 3，开，开 半半 导导 体体 致致 冷冷 器器 电电 源源 ， 设定设定预设温度预设温度为为00，等待等待制冷至制冷至0 0 。4 4，不开不开光源光源电源，电源，打开打开单光子计数器电源单光子计数器电源 ， 运运 行行 单单 光光 子子 计计 数数

48、 实实 验验 程程 序序， 采集采集 暗计数率暗计数率 (N (Nd d) ) 数据，填入表数据，填入表0101。1 1，熟，熟 悉悉 仪仪 器器 和和 仪仪 器器 连连 接接 。59 光功率计光功率计和和光源光源电源电源 单光子计数器单光子计数器电源电源60(1)(1)程序程序 运行参数运行参数 设设 置：置：选选“时间方式时间方式”可不做选择可不做选择 ，由程序决定！由程序决定！选选“毫秒，毫秒，10001000，1000”1000”( (即：即：二个参数二个参数，全为，全为1 1秒秒) )选选“高压：高压：8 8；阈值：阈值：40”40”手动输入手动输入“实际制冷温度实际制冷温度”61(

49、2)(2)等等 待待 实实 际际 制制 冷冷 温温 度度 达达 到到 预预 设设 值值 ， 点点“工作工作”，开始，开始暗计数率暗计数率(N(Nd d) )数据采集。数据采集。数数 据据 采采 集集 10 10 秒秒 ，再，再 点点“工作工作”，结束结束本温度下本温度下暗计数率暗计数率(Nd)(Nd)数据采集。数据采集。62(3) (3) 读取读取暗计数率暗计数率(N(Nd d) )的数据，填的数据，填 入入 表表0101。点击此点击此 双箭头双箭头 在在 此此 区区 域域 ，读出读出N Nd d的的最大值最大值，填填 入入 表表 01 01 。63(4) (4) 依次改变、依次改变、等待等待

50、达到达到各个各个实际制冷温度实际制冷温度， 重复上述步骤，得到重复上述步骤，得到 各个温度下各个温度下 的的 N Nd d， 填填 入入 表表 01 01 。5 5，打打 开开 光光 源源 电电 源，光源，光 源源 电电 流流 设为设为 0.6A0.6A， 预预 热热 十十 分分 钟钟 以以 上，上，等等 待待 光源光源电流稳定电流稳定， 同同 时时 使使 实实 际际 制制 冷冷 温温 度度 回回 到到 00。6 6，重，重 复复 上述上述 “ (1) (4) ”, “ (1) (4) ”, 采集采集各温度下各温度下的的计数率计数率N Nt t的数据，填入的数据，填入表表0101。647 7，

51、数，数 据据 处处 理理 ，实实 验验 报报 告告 。 表表0101 光光 电电 倍倍 增增 管管 计计 数数 率率 记记 录录（计数间隔：（计数间隔：1000ms1000ms，高压：，高压：8000V8000V，阈值电压：，阈值电压：400mV400mV）1 1，在，在 一一 个个 坐标系中，画坐标系中，画 出出 T T N Nd d，T T N Nt t 曲曲 线。线。2 2，在另一个坐标系中，画，在另一个坐标系中，画 出出 T T SNR SNR 曲线。曲线。658 8，关关 机机 顺顺 序序 。（1 1）关闭）关闭光源光源和和单光子计数器单光子计数器电源，电源， 等等 待待 3 3 5 5 分分 钟钟 。（2 2）关）关 闭闭 单单 导导 体体 致致 冷冷 器器 电电 源源 。（3 3）让）让水循环水循环3 35 5分钟，关闭分钟，关闭水泵水泵电源。电源。 全全 部部 实实 验验 讲讲 解解 完完 毕毕 ！66