《大學物理實驗》第七部分 近代物理 實驗1-5

PAGEPAGE247第5章近代物理實驗近代物理實驗是介于普通物理實驗和科學研究之間的一種實踐環(huán)節(jié)，其中有些實驗在近代物理學發(fā)展歷程中起過重要的作用，還有一些實驗則涉及到現(xiàn)代實驗研究中的一些專門技術。也有一些實驗由計算機軟件協(xié)助完成。通過學習近代物理實驗的實驗思想和實驗技術，可以使我們了解前人的探索過程和物理學家的物理思想，掌握近代物理實驗的某些原理和實驗方法，掌握運用現(xiàn)代計算機技術進行物理實驗的思想方法，鍛煉我們綜合運用各種實驗技術的能力。5.1密立根油滴實驗美國物理學家密立根(R．A．Millikan)在1909年到1917年通過實驗測量微小帶電油滴在靜電場和重力場中的受力平衡情況及在空氣中的運動情況，巧妙的求出了微小帶電油滴所帶的電量，并且通過相應的數(shù)據(jù)處理，得出了電荷量子化的結(jié)論。密立根油滴實驗的設計簡明巧妙，方法簡單，而結(jié)論卻具有不容置疑的說服力，1923年榮獲諾貝爾物理學獎。因此現(xiàn)在我們重演這個實驗仍具有一定的啟發(fā)性?！緦嶒災康摹?、通過實驗了解、掌握密立根油滴實驗的設計思想，實驗方法和實驗技巧。2、驗證電荷的量子化并測定基本電荷電量。3、通過對實驗儀器的調(diào)整和油滴的選擇、跟蹤、測量以及實驗數(shù)據(jù)處理等，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W實驗態(tài)度?！緦嶒炘怼坷妹芰⒏偷蝺x測定電子電量，關鍵在于測出油滴的帶電量。測定油滴的帶電量通常有兩種方法：靜態(tài)（平衡）測量法和動態(tài)（非平衡）測量法。前者的測量原理、實驗操作和數(shù)據(jù)處理都較簡單，故這里主要介紹靜態(tài)（平衡）測量法。圖5-1-1圖5-1-1用噴霧器將油滴噴入電容器兩塊相距為d的水平放置平行電極板之間，油滴經(jīng)噴射后，一般都是帶電的。設油滴的質(zhì)量為m，所帶的電荷為q，兩極板間的電壓為U，則油滴在平行極板間將同時受到重力mg、靜電力qE和空氣浮力的作用。如圖5-1-1所示。如果調(diào)節(jié)兩極板間的電壓U，可使兩力達到二力平衡，這時（5-1-1）從上式可見，為了測出油滴所帶的電量q，除了需測定U和d外，還需要測量油滴質(zhì)量m。因m很小，需用如下特殊方法測定。平行極板不加電壓時，油滴受重力作用而加速下降，除受空氣浮力作用外，還受空氣粘滯阻力的作用，粘滯力可由斯托克斯定律給出：下降一段距離達到某一速度后，空氣粘滯阻力、空氣浮力與重力平衡，油滴將勻速下降。油滴勻速下降時（5-1-2）式中，η是空氣的粘滯系數(shù)，是油滴的半徑(由于表面張力的原因，油滴總是呈小球狀)。設油滴的密度為，空氣的密度為，油滴的質(zhì)量m、空氣浮力可用下式表示（5-1-3）（5-1-4）由式（5-1-2）、（5-1-3）、（5-1-4）得油滴半徑（5-1-5）式中，，對于半徑小到10-6米的油滴小球，與空氣分子的間隙相當，空氣已不能看成是連續(xù)介質(zhì)，空氣的粘滯系數(shù)應作如下修正此時的斯托克斯定律應修正為式中b為修正常數(shù)，b=6.17×10-6米·厘米汞高，p（5-1-6）上式根號中還包含油滴的半徑，由于它處在修正項中，故不需十分精確，因此它可用（5-1-5）式計算即可。式（5-1-6）中的油滴勻速下降的速度，可用下述方法測出：在平行板未加電壓時，測出油滴下降長度時所用的時間，即可知（5-1-7）將（5-1-7）、（5-1-6）、（5-1-3）、（5-1-4）代入（5-1-1）式，整理后得（5-1-8）上式是用平衡測量法測定油滴所帶電荷的理論公式。2、動態(tài)（非平衡）測量法為解決靜態(tài)平衡法中由于空氣流擾動而產(chǎn)生的非預期的影響以及油滴蒸發(fā)引起的誤差，可在平行極板上加以適當?shù)碾妷篣，使油滴受靜電力作用加速上升。速度增加時，空氣對油滴的粘滯力也隨之增大，上升一段距離達到某一速度后，油滴將以勻速上升,油滴所受空氣粘滯阻力、空氣浮力、重力與靜電力達到平衡，這時當去掉平行極板上所加的電壓U后，油滴受重力作用而加速下降。當空氣粘滯阻力、空氣浮力和重力平衡時，兩式相除得所以（5-1-9）如果油滴所帶的電量從變到，油滴在電場中勻速上升的速度將由變成，而勻速下降的速度不變，這時油滴所帶的電量顯然電荷的改變量（5-1-10）實驗時取油滴勻速下降和勻速上升的距離相等，都設為，測得油滴勻速下降所用時間為，勻速上升所用時間為和，即（5-1-11）將式（5-1-6）和式（5-1-11）代入式（5-1-9）和式（5-1-10）得（5-1-12）令則從實驗所測得的結(jié)果，可以分析出與只能為某一數(shù)值的整數(shù)倍，由此可以得出油滴所帶電子的總數(shù)和電子的改變數(shù)，從而得到一個電子的電荷為（5-1-13）【實驗儀器】HLD-MOD-Ⅸ型油滴儀，噴霧器，油，MOD-5型立根油滴儀1、MOD-5型立根油滴儀如圖5-1-2和圖5-1-3所示。圖5-圖5-1-3油滴盒圖5-1-41-噴霧口；2-油霧口開關；3-油霧孔；4-上電極板壓簧5-外接電源插孔；6-油滴盒基座；7-油滴儀版面圖5-1-21-油滴盒；2-防風罩；3-油霧室；4-照明燈；5-導光棒；6-照明燈電源插座；7-調(diào)平螺絲；8-水平儀；9-顯微鏡；10-目鏡頭；11-接目鏡；12-調(diào)焦手輪；13-數(shù)字電壓表；14-工作電壓調(diào)節(jié)旋鈕；15-工作電壓反向開關；16-升降電壓調(diào)節(jié)旋鈕；17-升降電壓反向開關；18-低壓汞燈；19-CCD；20-CCD托板；21-CCD接筒；22-CCD電源插座；23-視頻電纜；24-監(jiān)視器；25-計時器插座油滴儀包括油滴盒、照明裝置、調(diào)平裝置、測量顯示鏡、電源、計時器、噴霧器等。MOD-5B型密立根油滴儀帶有低壓汞燈，可改變油滴所帶的電荷量。MOD-5BC型密立根油滴儀還配有電荷耦合器件（CCD）的電子顯示裝置。油滴盒由兩塊經(jīng)過精磨的平行板（上、下電極）和中間墊的膠木圓環(huán)組成。膠木圓環(huán)上有進光孔、觀察孔和石英玻璃窗口，油滴盒放在防風罩中，上極板中央有一個直徑0.4mm油滴盒防風罩前裝有測量顯微鏡，用以觀察平行板間的油滴。測量顯微鏡目鏡中裝有分劃板（如圖5-1-4所示），其垂直總刻度相當于視場中的0.3cm電源部分提供4種電壓：①3.6V油滴照明電壓；②500V直流工作電壓，該電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)，從數(shù)字電壓表上直接讀數(shù)，并由工作電壓的反向開關改變上下電極板的極性；③200V左右的直流升降電壓，該電壓疊加在工作電壓上，以控制油滴在視場中的合適位置。升降電壓高，油滴移動速度快，反之則慢，該電壓在電壓表上無指示；④12VCCD電源電壓。2、HLD-MOD-Ⅸ型油滴儀HLD-MOD-Ⅸ型油滴儀由主機和實驗軟件兩部分構成，主機部分主要由機箱面板、油滴盒和復雜的電子電路構成。這里僅對機箱面板、油滴盒、實驗軟件界面及軟件操作控件做以簡易的介紹。圖5-1-5HLD-MOD-IX型油滴儀面板俯視圖1-電壓顯示；2-時間顯示；3-視頻輸出插座；4-水準泡；5-油霧室和照明燈室：6-電源開關按鈕；7-顯微鏡；8-“正負電荷”按鈕；9-圖5-1-51-電壓顯示；2-時間顯示；3-視頻輸出插座；4-水準泡；5-油霧室和照明燈室：6-電源開關按鈕；7-顯微鏡；8-“正負電荷”按鈕；9-“復位”按鈕；10-CCD攝像頭；11-“清零”按鍵；12-“計/停”按鍵；13-“測量”按鍵；14-“平衡”按鍵：；15-“提升”按鍵；16-平衡電壓調(diào)節(jié)旋鈕。機箱面板如圖5-1-5所示，旋鈕功能請看圖注。需要指出的是：“3-視頻輸出插座”是在本機配用CCD攝像頭時使用，輸出至監(jiān)視器，監(jiān)視器阻抗選擇開關拔至75Ω處；“12-計/停按鍵”是在油滴下落到預定開始位置時按一下此鍵，開始計時，到達預定距離時，再按一次該鍵，停止計時；“15-提升按鍵”，按下該鍵時，上下電極在平衡電壓的基礎上自動增加DC200V～300V的提升電壓；“16-平衡電壓調(diào)節(jié)旋鈕”，可調(diào)節(jié)“平衡”按鍵時的極板間電壓，調(diào)節(jié)電壓DC0～500V左右。圖5-1-6HLD-MOD-IX型油滴儀油滴盒1-上蓋板;2-油霧孔開關;3-油霧室;4-油霧孔5-噴霧口;6-上電極板壓簧;7-上電極板;8-防風罩;9-膠木圓環(huán);10-下電極板;11-油滴盒基座;12-底板=2\*GB2⑵圖5-1-61-上蓋板;2-油霧孔開關;3-油霧室;4-油霧孔5-噴霧口;6-上電極板壓簧;7-上電極板;8-防風罩;9-膠木圓環(huán);10-下電極板;11-油滴盒基座;12-底板油滴盒示意圖如圖5-1-6所示，油滴盒的防風罩前裝有測量顯微鏡，通過膠木圓環(huán)上的觀察孔觀察平行極板間的油滴，顯示屏上裝有分劃板，其總刻度相當于線視場中0.2cm，用以測量油滴運動的距離L，分劃板中間的橫向刻度尺是用來測量布朗運動的。=3\*GB2⑶實驗軟件界面軟件界面如圖5-1-7，各按鈕功能看圖注。圖5-1-7密里根油滴儀實驗界面1-菜單按鈕：2-標題欄：3-圖像采集區(qū)：4-最小化按鈕：5-關閉按鈕：6-數(shù)值顯示區(qū)：7-實驗控制區(qū)：8-圖像控制區(qū)：9-實驗原理提示：10-數(shù)據(jù)操作區(qū)：11-數(shù)據(jù)記錄區(qū)。=4\*GB2⑷圖5-1-71-菜單按鈕：2-標題欄：3-圖像采集區(qū)：4-最小化按鈕：5-關閉按鈕：6-數(shù)值顯示區(qū)：7-實驗控制區(qū)：8-圖像控制區(qū)：9-實驗原理提示：10-數(shù)據(jù)操作區(qū)：11-數(shù)據(jù)記錄區(qū)。實驗控制區(qū)內(nèi)有如下按鈕：“提升”、“平衡”、“測量”、“計時”、“停止”、“清零”，這些按鈕只有在設備打開成功后才可使用。在具體操作時，其作用與油滴儀面板上的按鈕的作用大致相同?！緦嶒瀮?nèi)容】1、用MOD-5型立根油滴儀測量=1\*GB2⑴調(diào)整儀器將儀器放平穩(wěn)，調(diào)節(jié)儀器底部左右兩只調(diào)平螺絲，使水平儀指示水平，這時平行極板處于水平位置。先預熱10min，利用預熱時間，從測量顯微鏡中觀察。如果分劃板位置不正，則轉(zhuǎn)動目鏡頭，將分劃板放正，目鏡頭要轉(zhuǎn)到底。調(diào)節(jié)目鏡，使分劃板刻線清晰。將油從油霧室旁的噴霧口噴入（噴霧器持平噴一次即可），微調(diào)測量顯微鏡的調(diào)焦手輪，使視場中出現(xiàn)大量清晰的油滴。如果視場太暗，油滴不夠清晰，或視場上下亮度不均勻，可略微轉(zhuǎn)動油滴照明燈的方向節(jié)，使小燈泡前面的聚光燈正對前方。若用CCD（連同監(jiān)視器），則將CCD對準顯微鏡，并進行調(diào)節(jié)，使監(jiān)視器中看到清晰明亮的油滴。注意：調(diào)整儀器時，如果打開有機玻璃油霧室，必須先將平衡電壓反向開關置“0”=2\*GB2⑵練習測量=1\*GB3①練習控制油滴：用平衡法實驗時，在平行極板上加工作（平衡）電壓250V左右，反向開關放在“+”或“-”側(cè)均可，放走不需要的油滴，直到剩下幾顆緩慢運動的油滴為止。注視其中的某一顆，仔細調(diào)節(jié)平衡電壓，使這顆油滴靜止不動。然后去掉平衡電壓，讓它勻速下降，下降一段距離后再加上平衡電壓和升降電壓，使油滴上升。如此反復多次地進行練習，以掌握控制油滴的方法。=2\*GB3②練習測量油滴運動的時間：任意選擇幾顆運動速度快慢不同的油滴，用秒表測出它們下降一位移段所需要的時間。或者加上一定的電壓，測出他們上升一段距離所需要的時間。如此反復多練幾次，以掌握測量油滴運動時間的方法。=3\*GB3③練習選擇油滴：要做好本實驗，很重要的一點是選擇合適的油滴。選的油滴體積不能太大，太大的油滴雖然比較亮，但帶電荷比較多，下降速度也比較快，時間不容易測準確。油滴也不能選得太小，否則布朗運動明顯。通常平衡電壓在200V以上，在20~30s時間內(nèi)勻速下降2mm的油滴，其大小和帶電量都比較合適。=4\*GB3④練習改變油滴的帶電量：對MOD-5B型密立根油滴儀，可以改變油滴的帶電量。按下汞燈按紐，低壓汞燈亮約5s，油滴的運動速度發(fā)生改變，這時油滴的帶電量已經(jīng)改變了。=3\*GB2⑶正式測量=1\*GB3①平衡測量法：從式（5-1-8）可知，用靜態(tài)平衡測量法實驗時，要測量兩個量，一個是平衡電壓U，另一個是油滴勻速下降一段距離所需要的時間tg。測量平衡電壓必須經(jīng)過仔細的調(diào)節(jié)，并將油滴置于分劃板上某條橫線附近，以便準確判斷出這顆油滴是否平衡。測量油滴勻速下降一段距離所需要的時間時，應先讓油滴下降一段距離后再測量時間。選定測量的一段距離，應該在平行板之間的中央部分，即視場中分劃板的中央部分。若太靠近上電極板，小孔附近有氣流，電場也不均勻，會影響測量結(jié)果。若太靠近下電極板，測量完時間tg后，油滴容易丟失，影響測量。一般取為0.2cm比較合適。對同一顆油滴應進行5~6次測量，而且每次測量都要重新調(diào)整平衡電壓。如果油滴逐漸變得模糊，要微調(diào)測量顯微鏡跟蹤油滴，防止油滴丟失。用同樣方法分別對1~2顆油滴進行測量，對MOD-5B型密立根油滴儀，也可用改變油滴帶電量的辦法，反復對同一顆油滴進行實驗，求得電子電荷。=2\*GB3②動態(tài)非平衡測量法：具體方法可由學生根據(jù)實驗原理自擬（供選做）。=3\*GB3③改變油滴帶電量的研究與測量（供選做）方法自擬。2、用HLD-MOD-Ⅸ型油滴儀測量=1\*GB2⑴儀器調(diào)節(jié)=1\*GB3①將儀器放平穩(wěn)，調(diào)節(jié)底座上的三個調(diào)平手輪，使水準泡指示水平，這時平行極板處于水平位置。=2\*GB3②打開油滴儀電源，先預熱儀器，預熱時間不少于10分鐘。打開監(jiān)視器電源，5秒后自動進入測量狀態(tài)。=2\*GB2⑵靜態(tài)（平衡）測量法=1\*GB3①按“清零”鍵，使計時秒表清零。=2\*GB3②按下“平衡”按鍵，調(diào)節(jié)電壓在200V左右，將油霧從油霧室旁的噴霧口噴入(噴1—2次即可)，，打開油霧孔開關，油滴從上電極板中間直徑0.4mm的小孔落入電場中。微調(diào)測量顯微鏡的調(diào)焦手輪，這時在監(jiān)視屏上將出現(xiàn)大量清晰的油滴，如果視場太暗，油滴不夠明亮，亮度不均勻，可打開監(jiān)視器左邊小盒，內(nèi)有4個調(diào)節(jié)旋鈕。對比度一般置于較大，亮度不要太亮。=3\*GB3③通過調(diào)節(jié)“平衡電壓調(diào)節(jié)旋鈕”驅(qū)走不需要的油滴，直到剩下幾顆緩慢運動、大小適中的油滴為止，選擇其中一顆，仔細調(diào)節(jié)平衡電壓，使油滴靜止不動。記下“電壓表”上顯示的數(shù)U。=4\*GB3④通過按“提升”按鍵把油滴提升到顯示屏最上端，再按下“測量”鍵，使油滴開始下降。=5\*GB3⑤當油滴轉(zhuǎn)為勻速運動時（正常須在按下“測量”鍵1秒鐘后），可根據(jù)需要按下“計/停”按鍵計時。=6\*GB3⑥通過按“計/停”鍵，測量油滴下落為2mm（在刻度板為4大格）的距離所經(jīng)過的時間。停止計時，并立即按“平衡”鍵或“提升”鍵，以免油滴逃逸出本電場，此時完成一顆油滴的測量，此時“秒表”上的時間為油滴在2mm距離勻速運動的時間。=7\*GB3⑦如此對同一顆油滴重復5次測量，每次測量時都要檢查和調(diào)整平衡電壓，如果油滴逐漸變得模糊，要微調(diào)測量顯微鏡，跟蹤油滴，勿使丟失。=8\*GB3⑧用同樣方法，選擇2顆油滴分別進行測量。得到該實驗所需多組數(shù)據(jù)。=9\*GB3⑨按公式對實驗測量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理?！緮?shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】1、MOD-5型立根油滴儀測量數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理參照表格5-1-12、HLD-MOD-Ⅸ型油滴儀測量(1)手動測量靜態(tài)（平衡）測量法表5-1-1油滴(s)(V)()()()()123451234512相關計算：根據(jù)公式進行計算，式中油滴的半徑，各常數(shù)分別如下：油的密度重力加速度空氣粘滯系數(shù)油滴勻速下降距離修正常數(shù)大氣壓強平行極板間距離目前e的公認值可以得到油滴帶電量：，油滴半徑：，油滴質(zhì)量：。動態(tài)（非平衡）測量法表格自擬，并計算測量結(jié)果。電量的計算以上計算公式中取近似等于油滴在溫度為的密度，取t=20℃時油的密度計算，引起的最大相對誤差為為了證明電荷的不連續(xù)性和所有電荷都是基本電荷的整數(shù)倍，并得到基本電荷值，我們就應對實驗測得的各個電荷值用差值法求出它們的最大公約數(shù)，此最大公約數(shù)就是基本電荷值。但由于實驗所帶來的誤差，求最大公約數(shù)比較困難，因此我們常用“倒過來驗證”的辦法進行數(shù)據(jù)處理，即用實驗測得的每個電荷值除以公認的電子電荷值C，得到一個接近于某一個整數(shù)的數(shù)值，對這個數(shù)值四舍五入取整，這個整數(shù)就是油滴所帶的基本電荷的數(shù)目，再用實驗測得的電荷值除以相應的，即得到電子的電荷值。(2)自動操作實驗室用HLD-MOD-Ⅸ型油滴儀附有一套快速數(shù)據(jù)處理軟件(平衡法)，同學們可在計算機上操作，實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果可一并打印出來，詳見軟件介紹?！咀⒁馐马棥?、實驗前必須調(diào)節(jié)儀器底座上的三只調(diào)平手輪，使底座上的水準儀指示水平。2、噴霧時噴霧器應豎拿，噴霧器對準油霧室的噴霧口，輕輕噴入少許油即可，切勿將噴霧器插入油霧室，甚至將油倒出來，更不應該將油霧室拿掉后對準上電極板落油小孔噴油。否則會把油滴盒周圍搞臟，甚至堵塞落油孔。3、油滴盒上下電極間有高壓產(chǎn)生，請不要將油霧杯取下來，以防觸電。5.2夫蘭克-赫茲實驗20世紀初，在原子光譜的研究中確定了原子能級的存在。原子光譜中的每根譜線就是原子從較高能級向較低能級躍遷時的輻射形成的。原子能級的存在，除了可由光譜研究證實外，還可利用慢電子轟擊稀薄氣體原子的方法來證明。1914年夫蘭克-赫茲采用這種方法研究了電子與原子碰撞前后電子能量改變的情況，測定了汞原子的第一激發(fā)電位，從而證明了原子分立態(tài)的存在。后來他們又觀測了實驗中被激發(fā)的原子回到正常態(tài)時所輻射的光，測出的輻射光的頻率很好地滿足了玻爾假設中的頻率定則。夫蘭克-赫茲實驗的結(jié)果為玻爾的原子模型理論提供了直接證據(jù)，他們因此獲得了1925年度的諾貝爾物理獎。夫蘭克-赫茲實驗至今仍是探索原子結(jié)構的重要手段之一，實驗中用的“拒斥電壓”篩去小能量電子的方法，已成為廣泛應用的實驗技術。【實驗目的】1、用實驗的方法測定氬或汞原子的第一激發(fā)電位，從而證明原子分立態(tài)的存在。2、練習使用微機控制的實驗數(shù)據(jù)采集。【實驗原理】圖5-2-1原子結(jié)構示意圖根據(jù)玻爾的原子模型理論，原子是由原子核和以核為中心沿各種不同軌道運動的一些電子構成的（圖5-2-1）。對于不同的原子，這些軌道上的電子數(shù)分布各不相同。一定軌道上的電子具有一定的能量。當同一原子的電子從低能量的軌道躍遷到高能量的軌道時（如圖5-2-1中從?到Ⅱ），原子就處于受激狀態(tài)。若軌道Ⅰ為正常狀態(tài)，則較高能量的Ⅱ圖5-2-1原子結(jié)構示意圖1、定態(tài)假設。原子只能處在穩(wěn)定狀態(tài)中，其中每一狀態(tài)對應于一定的能量值Ei(i=1,2,3,…),這些能量值是彼此獨立的，不連續(xù)的。2、頻率定則。當原子從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定狀態(tài)時，就吸收或釋放出一定頻率的電磁輻射。頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)之間的能量差，并滿足如下關系（5-2-1）其中h=6.63×10-34J·s,稱作普朗克常數(shù)。通常在兩種情況下可讓原子狀態(tài)改變：一是當原子吸收或發(fā)射電磁輻射時；二是用其他粒子碰撞原子而交換能量時。用電子轟擊原子實現(xiàn)能量交換最方便，因為電子的能量eU可通過改變加速電勢U來控制。夫蘭克-赫茲實驗就是用這種方法證明原子能級的存在。如果電子的能量eU很小時，電子和原子只能發(fā)生彈性碰撞，幾乎不發(fā)生能量交換。設初速度為零的電子在電位差為U0的加速電場作用下，獲得能量eU0。當具有這種能量的電子與稀薄氣體原子發(fā)生碰撞時，電子與原子發(fā)生非彈性碰撞，實現(xiàn)能量交換。氬原子吸收從電子傳遞來的能量恰好為（5-2-2）圖5-2-2夫蘭克-赫茲原理圖這時，氬原子就會從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。而且相應的電位差稱為氬的第一激發(fā)電位。測出這個電位差U0，就可以根據(jù)（5-2-2）式求出氬原子的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間的能量差（其他元素氣體原子的第一激發(fā)電位亦可依此法求得）。夫蘭克-赫茲實驗的原理如圖圖5-2-2夫蘭克-赫茲原理圖圖5-2-3夫蘭克-赫茲管管內(nèi)空間電位在充氬的夫蘭克-赫茲管中，電子由熱陰極K出發(fā)，陰極K和第二柵極G2之間的加速電壓VG2K使電子加速。在板極A和第二柵極G2之間加有反向拒斥電壓VG2A。管內(nèi)空間電位分布如（圖5-2-3）所示。當電子通過KG2空間進入G2A空間時，如果有較大的能量（eVG2A），就能沖過反向拒斥電場而達板極形成電流，為微電流計檢出。如果電子在KG2空間與氬原子碰撞，把自己的一部分能量傳給氬原子而使后者激發(fā)的話，電子本身所剩余的能量就很小，以致通過第二柵極后已不足以克服拒斥電場而被折回到第二柵極，這時，通過微電流計的電流將顯著減小。實驗時，使VG2K電壓逐漸增加并仔細觀察微電流計的電流指示，如果原子能級確實存在，而且基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間存在確定的能量差的話，就能觀察到如（圖5-2-4）所示的IA～VG2K曲線。該曲線反映了氬原子在KG2空間與電子進行能量交換的情況。當KG2空間電壓逐漸增加時，電子在KG2空間被加速而取得越來越大的能量。但起始階段，由于電壓較低，電子的能量較少，即使在運動過程中它與原子相碰撞也只有微小的能量交換（為彈性碰撞）。穿過第二柵極的電子所形成的電流IA將隨第二柵極電壓VG2K的增加而增大（圖5-2-4的Oa段）；當KG2間的電壓達到氬原子的第一激發(fā)電位圖5-2-3夫蘭克-赫茲管管內(nèi)空間電位圖5-2-5DH4507A型夫蘭克-赫茲實驗儀實物圖圖5-2-4夫蘭克-赫茲管IA—VG2K曲線所以板極電流將顯著減小（圖5-2-4所示ab段）。隨著第二柵極電壓的增加，電子的能量也隨之增加，在與氬原子相碰撞后還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電場而達到板極A，這時電流又開始上升（bc段）。直到KG2間電壓是二倍氬原子的第一激發(fā)電位時，電子在KG2間又會二次碰撞而失去能量，因而又會造成第二次板極電流的下降（cd段），同理，凡在的地方板極電流IA都會相應下跌，形成規(guī)則起伏變化的IA～V圖5-2-5DH4507A型圖5-2-4夫蘭克-赫茲管IA—VG2K曲線本實驗就是要通過實際測量來證實原子能級的存在，并測出氬原子的第一激發(fā)電位（公認值為U0＝11.5V）。原子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的。在實驗中被慢電子轟擊到第一激發(fā)態(tài)的原子要跳回基態(tài)，進行這種反躍遷時，就應該有eU0電子伏特的能量發(fā)射出來。反躍遷時，原子是以放出光量子的形式向外輻射能量。這種光輻射的波長為(5-2-3)對于氬原子來說，λ=1081??！緦嶒瀮x器】1、DH4507A型夫蘭克圖5-2-6夫蘭克-赫茲實驗原理圖DH4507A型夫蘭克—赫茲實驗儀是一種智能型實驗儀器（圖5-2-5），該實驗儀需要依托微機和配套軟件來完成實驗，可以對圖5-2-6夫蘭克-赫茲實驗原理圖2、夫蘭克-赫茲實驗儀普通型夫蘭克-赫茲實驗儀實驗用線路如圖5-2-6=1\*GB2⑴夫蘭克-赫茲管。這是一個具有雙柵結(jié)構的柱面的充汞四極管。其工作溫區(qū)為100℃~210℃，在180℃時獲得明顯的第一譜峰。圖5-2-7加熱爐外形及面板圖1-極板；2-接地端；3-柵極；4、燈絲；5-燈絲陰極；6-控制柵極；7-感溫探頭；8-加熱爐電源=2\*GB2⑵加熱爐。加熱爐外形面板圖如圖5-2-7所示，加熱爐加熱溫度約400℃，爐內(nèi)保溫性好，溫度均勻。面板為實驗用接線板圖5-2-7加熱爐外形及面板圖1-極板；2-接地端；3-柵極；4、燈絲；5-燈絲陰極；6-控制柵極；7-感溫探頭；8-加熱爐電源=3\*GB2⑶溫度控制儀。它由交流控溫電橋、交流放大器、相敏放大器、控溫執(zhí)行繼電器四部分組成。控溫范圍20℃~300℃，控溫精度±1℃，同時也能指示被控溫度大小。=4\*GB2⑷穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源輸出分為三組，均可調(diào)節(jié)。第一組作為燈絲電壓，第二組作為拒斥場電壓，第三組作為控制柵電壓。=5\*GB2⑸掃描電源。用以改變加速電壓Ua。輸出波形：鋸齒波、三角波。掃描方式：手動、自動。掃描電源上有電壓表指示掃描電壓大小。為使讀數(shù)精確，同時再外接一個量程200V的數(shù)字電壓表，指示該電壓大小。=6\*GB2⑹微電流放大器。該儀器是利用高輸入阻抗運算放大器支撐的I-U變換器，可測量10-10A~10-8A的電流，在本實驗用來測量板極電流。使用時電路中接入一個微安表，指示被測電流的相對大小。測量開始前調(diào)節(jié)“調(diào)零”旋鈕，使電流表指針指零。由于電流為電子流，應將極性開關扳到“-”?！緦嶒灢襟E】1、智能型夫蘭克—赫茲實驗儀對氬原子能級的測量=1\*GB2⑴用示波器觀察IA—VG2K曲線=1\*GB3①將面板上的四對插座（燈絲電壓；第二柵壓VG2K；第一柵壓VG1K；拒斥電壓VG2A）按面板上的接線圖與電子管測試架上的相應插座用專用連接線連好。將“信號輸出”及“同步輸出”與示波器相連。或只將“信號輸出”與示波器相連，使用示波器的內(nèi)同步。微電流檢測器已在內(nèi)部連好。按“set”鍵+“>”鍵,使四組電壓加載，此時加載燈亮。=2\*GB3②加載10分鐘以后，按下“自動/手動”鍵，此時“自動”燈點亮。=3\*GB3③此時第二柵壓值開始從0V到85.3V自動掃描，共512個步進值，每一伏有6個步進值，一個步進值為0.166V（顯示時的十位和個位按原值顯示，而小數(shù)點后一位的6個步進值顯示為0.0，0.2，0.3，0.5，0.7和0.8），自動掃描時，電流表的讀數(shù)應不斷變化。=4\*GB3④調(diào)整示波器的幅度及掃描旋鈕，使其波形穩(wěn)定。在第二柵壓自動掃描時，可在示波器上觀察到實時生成的六個峰，在自動掃描完成后，這六個峰仍穩(wěn)定地顯示在屏幕上，若要清除這六個峰，可在手動方式下按“set”鍵+“自動/手動”鍵。=5\*GB3⑤在自動掃描時，可按“set”鍵+“10-6”鍵，以改變掃描的速度。掃描的速度共分為三檔：低、中、高。開機缺省設置為高。=6\*GB3⑥若要進行下一次自動掃描，可按“自動/手動”鍵，轉(zhuǎn)到手動方式，再按“set”鍵+“自動/手動”鍵,清除上次掃描得到的數(shù)據(jù)，再按“自動/手動”鍵轉(zhuǎn)到自動掃描。=2\*GB2⑵用微機測量=1\*GB3①將實驗儀與微機相連。=2\*GB3②在“自動”測試時，第二柵壓值從0V到85.3V自動掃描，這時電流表示數(shù)也不斷地有規(guī)律的變化，然后在電腦中進入“夫蘭克-赫茲實驗”界面，再單擊“設置”→“工作方式”→“自檢”，此時屏幕上出現(xiàn)一小段曲線，表示夫蘭克-赫茲實驗儀工作基本正常。=3\*GB3③單擊“設置”→“工作方式”→“正常操作”，然后單擊一下“發(fā)送”，再單擊一下“畫圖”，這時屏幕上就出現(xiàn)實際采集到的爬坡曲線。若爬坡曲線不太理想，可進行“放大”或“縮小”操作，這些操作不影響氬原子第一激發(fā)電位的測量。=4\*GB3④在爬坡曲線上，從左到右點擊六個峰值(或谷值)，再點擊一下“手動計算”，這時屏幕的下邊及右面的“采樣值及結(jié)果”中立即顯示出計算結(jié)果。=5\*GB3⑤選擇“設置”→“工作方法”→“掃描速率”中的“高”、“中”、“低”三檔中的一檔，再點擊“發(fā)送”，以改變第二柵壓的掃描速率。=6\*GB3⑥可將采集到的爬坡曲線存盤（應取一個名字：xxx.dat)或從硬盤中調(diào)出?？蓪⒄麄€屏幕全部打印出來。=7\*GB3⑦還可對數(shù)據(jù)庫進行各種操作，如更改“編號”，“姓名”，增加記錄等。尤其可在“采樣值及結(jié)果”的文本框中加入各種文字說明。2、普通型夫蘭克—赫茲實驗儀對汞原子能級的測量=1\*GB2⑴接線和檢查線路：參考圖5-2-6電路接線，將各電壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)整到電壓最??；檢查控溫儀與加熱爐之間的連線。請教師檢查后，方可通電。=2\*GB2⑵加熱爐和微電流放大器通電：根據(jù)實驗室給定的爐溫控制值，在控溫儀上預置爐溫值，接通加熱爐，控溫儀電源，同時開啟微電流放大器的電源。=3\*GB2⑶摸索實驗條件，定性觀察IP—Ua變化情況：開啟穩(wěn)壓電源和掃描電源。根據(jù)給定的Uf、UG、UR控制值，先預置一組數(shù)。掃描電源置“手動”。緩慢增加Ua，觀察板極電流IP的變化情況，此時應看到IP的起伏變化。分別改變Uf、UG、UR及爐溫值，觀察每個參量對IP-Ua曲線的影響。最后，要求隨著Ua的增加能觀察到IP有8—10個峰，峰與谷差別應比較明顯，最大峰值應接近于電流的滿量程處，但不要過載并且在三五分鐘時間內(nèi)IP—Ua變化規(guī)律無明顯改變。在改變條件過程中，要注意以下幾點：①每個參量不能超過最大允許值；②電流表不要過載；③Uf和爐溫改變時，對IP的影響有一段滯后時間，不要一下子改變很多。每改變一次，等2min~3min再觀察IP的變化；④若電流IP迅速增大，表明汞原子已明顯電離，此時應減小Ua；⑤有時掃描電源也可置于“自動”，周期選用“40s”。=4\*GB2⑷測量IP-Ua曲線：在得到了滿足=3\*GB2⑶中要求的最佳條件，并待IP-Ua變化規(guī)律也已穩(wěn)定后，可開始逐點測量數(shù)據(jù)。利用“手動”掃描方式，緩慢增加UA，從0V到60V左右，逐點記錄Ua及相應的IP值。合理選擇測量間隔，峰值點附近測量點要多些。=5\*GB2⑸利用“自動”掃描方式和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得IP—Ua曲線。【數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】1、智能型實驗儀對氬原子能級的測量=1\*GB2⑴自動操作時，觀察示波器所畫出的完整的曲線，根據(jù)曲線特點確認原子能級的存在。=2\*GB2⑵與微機相連后在微機上觀察（描繪）IA～VG2K曲線，由微機計算出U0和λ及誤差。=3\*GB2⑶由打印機打印最后結(jié)果。2、普通型實驗儀對汞原子的測量=1\*GB2⑴自擬表格，記錄IP、Ua數(shù)值，IP要有8～10個峰。=2\*GB2⑵由前面的討論可知，IP-Ua曲線上相鄰兩峰值之間的電位差就是汞原子的第一激發(fā)電位Ug。實驗得到幾個峰值，用逐差法或線性擬合方法數(shù)據(jù)，可使Ug求得更準確。計算方法自選。=3\*GB2⑶關于Ug的誤差，應從測量過程中的隨機誤差和外接電壓表的儀器誤差兩方面來考慮。希望同學們能自己計算出?Ug值。數(shù)字電壓表精度為0.1%U0.1V?！咀⒁馐马棥?、各對插線應一一對號入座，切不可插錯，否則會損壞電子管或儀器，連好后至少檢查三遍。2、燈絲電壓不要超過4.5V；第二柵壓不要超過86V。3、盡量避免使各組電源線短路。4、實驗結(jié)束后切斷電源，保管好被測電子管?！舅伎碱}】1、如何確認原子能級的存在？2、根據(jù)IA～VG2K曲線怎么測出氬原子的第一激發(fā)電位？3、為什么IP-Ua呈周期性變化？4、爐溫的大小直接影響管內(nèi)什么參量？5.3光學全息照相全息照相的基本原理是以波的干涉和衍射為基礎的。它的物理思想早在1948年就由伽博首先提出。但由于當時缺乏相干性好的光源，因而幾乎沒有引起人們的注意。直到1960年激光器問世后，才使全息照相技術得到迅速發(fā)展，成為科學技術上一個嶄新的領域。由于全息照相比普通照相具有更多的優(yōu)點，所以在干涉計量、無損檢測、信息存儲與處理、遙感技術、生物醫(yī)學和國防科研中獲得了極其廣泛的應用。【實驗目的】1.了解光學全息照相的基本原理和它的主要特點。2.學習靜態(tài)全息照相的拍攝方法和有關技術。3.掌握全息圖再現(xiàn)物像的性質(zhì)和觀察方法?！緦嶒炘怼咳⒄障嗯c全息照相技術照相是將物體上各點發(fā)出或反射的光記錄在感光材料上,由光的波動理論知道,光波是電磁波,一列單色波可表示為式中,為振幅,為圓頻率,為波長,為波源的初相位,一個實際物體發(fā)射或反射的光波比較復雜,但是一般可以看成是由許多不同頻率的單色光光波的疊加因此,任何一定頻率的光波都包含著振幅和相位()兩類信息.光在傳播過程中,借助于它們的頻率、振幅和相位來區(qū)別物體的顏色(頻率)、明暗（振幅平方）、形狀和遠近（相位）。普通照相是通過成像系統(tǒng)（照相機鏡頭）使物體成像在感光材料上，材料上的感光強度只與物體表面強度分布有關，因為光強與振幅平方成正比，所以它只記錄了光波的振幅信息，無法記錄物體光波的相位差別。因此，普通照相記錄的只能是物體的一個二維平面像，缺乏立體感。全息照相不僅記錄了物體發(fā)出或反射的光波的振幅信息，而且把光波的相位信息也記錄下來，所以全息照相技術所記錄的并不是普通幾何光學方法形成的物體像，而是物體發(fā)出或反射光的光波本身。它記錄了光波的全部信息，而且在一定條件下，能將所記錄的全部信息完全再現(xiàn)出來，因而再現(xiàn)的物像是一個逼真的三維立體像。全息照相包含兩個過程：第一，把物體光波的全部信息記錄在感光材料上，稱為記錄（拍攝）過程。第二，照明已被記錄下全部信息的感光材料，使其再現(xiàn)原始物體的光波，稱為再現(xiàn)過程。全息照相的基本原理是以波的干涉為基礎的，所以除光波外，對其他的波動過程如聲波、超聲波等也都適用。2．全息照相的基本過程—記錄和再現(xiàn)=1\*GB2⑴、全息照相記錄過程的原理—光的干涉怎樣才能把物光的全部信息同時記錄下來呢？由物理光學可知，利用干涉的方法，以干涉條紋的形式就可以記錄物光的全部信息。圖5-3-1是記錄過程中所使用的光路。相干性極好的氦氖激光器發(fā)出激光束，通過分束鏡分成兩束，其中一束光經(jīng)反射鏡反射，再由擴束鏡將光束擴大后均勻地照射到被射物體D上，圖5-3-1全息光路圖經(jīng)物體表面反射（或透射）后再照射到感光材料（實驗中用全息感光膠片）H上，一般稱這束光為物光；另一束光經(jīng)反射鏡反射，擴束后，直接均勻地照射到H上，一般稱這束光為參考光。這兩束光在膠片H上疊加干涉，出現(xiàn)了許多明暗不同的條紋、小斑點等干涉圖樣，被膠片H記錄下來，再經(jīng)過顯影、定影等處理，成了一張有干涉條紋的“全息照片”（或稱全息圖）。干涉圖樣的形狀反映了物光和參考光之間的相位關系。干涉條紋明暗對比程度（稱為反差）反映了光的強度，干涉條紋的疏密則反映了物光和參考光的夾角情況。圖5-3-1全息光路圖=2\*GB2⑵、全息照相再現(xiàn)過程的原理——光的衍射圖5-3-2全息再現(xiàn)圖圖5-3圖5-3-3不同方位的全息再現(xiàn)圖5-3-4不同角度觀察同一張全息圖的效果再現(xiàn)過程的觀察光路如圖5-3-2所示。一束從特定的方向或原來參考光方向相同的激光束（通常稱為再現(xiàn)光）照射全息圖。全息圖上每一組干涉條紋相當于一個復雜的光柵，它使再現(xiàn)光發(fā)生衍射。我們沿著衍射方向透過全息圖朝原來被攝物的方位觀察時，就可以看到一個完全逼真的三維立體圖像。為討論方便起見，取全息圖上某一小區(qū)域ab為例，同時把再現(xiàn)光看成是一束平行光，且垂直照射于全息圖上。如圖5-3-3所示。按光柵衍射原理，再現(xiàn)光將發(fā)生衍射，其+1級衍射光是發(fā)散光；與物體在原來位置時發(fā)出的光波完全一樣，將形成一虛像，與原物體完全相同，稱為真像；-1級衍射光是會聚光，將形成一個共軛實像，稱為贗像。3．全息圖的主要特點和應用=1\*GB2⑴、全息圖的視覺特性：全息圖再現(xiàn)的被攝物體是一幅完全逼真的三維立體圖像。因此，當我們移動眼睛從不同角度去觀察時，就好象面對原物體一樣，可看到原來被遮住的側(cè)面，圖5-3-4就是從不同角度去觀察同一張全息圖時的立體視覺效果。=2\*GB2⑵、全息圖的可分割性：全息圖上的任一小區(qū)域都分別記錄了從同一物點發(fā)出的不同傾角的物光信息。因此，通過全息圖的任一碎片仍能再現(xiàn)出完整的物像。=3\*GB2⑶、全息圖的多重記錄性：在一次全息照相拍攝曝光后，只要稍微改變感光膠片的方位，如轉(zhuǎn)過一定角度，或改變參考光的入射方向，就可以在同一張感光膠片上進行第二次、第三次的重疊記錄。再現(xiàn)時，只要適當轉(zhuǎn)動全息圖即可獲得各自獨立互不干涉的圖像。由于全息照相技術具有上述獨特的特點。所以，在各個領域中已得到較廣泛的應用。如利用全息圖的立體視覺特性，可做三維顯示、立體廣告、立體電影、立體電視等，利用全息圖的可分割性和多重記錄特性，可做信息存儲、全息干涉計量、振動頻譜分析、無損檢測和測量位移、應力、應變等。4．拍攝系統(tǒng)的技術要求為了拍攝合乎要求的全息圖，對拍攝系統(tǒng)有一定的技術要求。=1\*GB2⑴、對于全息照相的光學系統(tǒng)，要求有特別高的機械穩(wěn)定性。如果物光和參考光的光程稍有不規(guī)則的變化，就會使干涉圖樣模糊不清。而且地面震動而引起工作臺面的震動，光學元件及物體夾得不牢固而引起的抖動，強烈聲波震動而引起空氣密度的變化等，都會引起干涉條紋的不規(guī)則漂移而使圖像模糊。因此，拍攝系統(tǒng)必須安裝在具有防振裝置的平臺上，系統(tǒng)中光學元件和各種支架都要用磁鋼牢固地吸在鋼板上。在曝光過程中，人們不要走動，不要高聲說話，以保證干涉條紋無漂移。=2\*GB2⑵、要有好的相干光源。一般實驗中常采用氦氖激光器作為光源。同時物光和參考光的光程差要符合相干條件。一般常使兩者光程大致相等。=3\*GB2⑶、物光和參考光的光強比要合適。一般以1：4到1：10為宜；兩者間的夾角小于45°，因為夾角越大，干涉條紋間距越?。粭l紋越密，對感光材料分辨率的要求越高?！緦嶒瀮x器】全息實驗臺（包括激光源及各種鏡頭支架、載物臺、底片夾等部件和固定這些部件所用的磁鋼）、全息照相感光膠片（全息干版）、暗室沖洗膠片的器材等?！緦嶒瀮?nèi)容】1．漫反射全息圖的拍攝=1\*GB2⑴、光路的調(diào)整：按圖5-3-1光路放置各元器件，并作如下調(diào)整：①使各元器件共軸；②使參考光均勻照亮膠片夾上白紙屏，使入射光均勻照明被射物體，其漫反射光能照射到白紙屏上，調(diào)節(jié)兩束光的夾角約30°；③使物光和參考光的光程大致相等（關于合適的光強比問題，實驗室已根據(jù)被攝物的情況在選擇分束鏡時一起考慮到了）。=2\*GB2⑵、曝光、拍攝：①根據(jù)物光和參考光的總光強確定曝光時間（實驗室提供參考時間）；②關閉所有光源，在全暗條件下輕輕地將膠片裝在膠片夾上（先取下夾上白紙屏），然后稍等片刻；③打開激光光源進行自動定時曝光，然后關閉激光光源，取下膠片仍用黑布包好。2.膠片的沖洗在照相暗室中，按暗室操作技術規(guī)定進行顯影、停影、定影、水洗及冷風干燥等工作。白熾燈下觀看時，若有干涉條紋，說明拍攝沖洗成功。3．再現(xiàn)像的觀察按照圖5-3-2光路觀察再現(xiàn)的虛像（真像）。觀察時，注意比較再現(xiàn)虛像的大小、位置與原物的情況，體會全息圖的立體視覺效果。再通過小孔觀察再現(xiàn)虛像，并改變小孔覆蓋在全息圖上的位置，體會全息圖的可分割性。詳細記錄觀察結(jié)果。【注意事項】1．所有光學元件不能用手摸、擦，必要時用專用擦鏡紙輕輕擦拭。2．不要用眼睛直接對準激光束觀察。3．遵守暗室操作流程?！舅伎碱}】1．全息照相與普通照相有那些不同？全息圖的主要特點是什么？2．繪出拍攝全息圖的基本光路，說明拍攝時的技術要求。3．如何獲得全息圖再現(xiàn)像？5.4核磁共振實驗核磁共振就是指處在某個靜磁場中的物質(zhì)的原子核系統(tǒng)受到相應頻率的電磁波作用，在它們的磁能級之間發(fā)生的共振躍遷現(xiàn)象。核磁共振技術現(xiàn)已發(fā)展成為物理學的重要分支學科，稱為核磁共振波譜學。它是通過對原子的核磁共振譜線特征來分析原子核的性質(zhì)及所處的環(huán)境，從而了解原子核所在物質(zhì)（分子）的性質(zhì)，進而確定分子結(jié)構。這項技術已被廣泛應用在醫(yī)療診斷方面。本實驗是以氫核H1為對象來研究原子核的核磁共振規(guī)律的。【實驗目的】1、了解核磁共振現(xiàn)象的原理和實驗方法。2、用穩(wěn)態(tài)吸收法（即掃場法）測量氫核H1的共振頻率及穩(wěn)恒磁場的B?！緦嶒炘怼烤哂写啪氐脑雍讼喈斢谝粋€以磁矩方向為軸的磁陀螺，正如電子一樣，原子核也具有自旋，其自旋角動量為（5-4-1）其中I為核自旋量子數(shù)，只與核的種類有關，如氫核的（h為普朗克常數(shù)）。因核內(nèi)存在電荷，具有自旋角動量的原子核，同時還具有核自旋磁矩，二者皆為矢量。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，和的關系為（5-4-2）式中為旋磁比，其大小和符號決定于核的內(nèi)部結(jié)構和特性。換句話說，只是一個與該核有關的常量，例如氫核（質(zhì)子）的旋磁比=（2.6752213±0.0000008）×108s-1·T-1。根據(jù)量子理論，若原子核處在外磁場中，核自旋角動量對于特定磁場方向的取向也是量子化的。如圖5-4-1所示，若以的方向為z軸正方向，用表示在z軸上的投影，則（5-4-3）圖5-4-1核自旋角動量示意圖圖5-4-2圖5-4-1核自旋角動量示意圖圖5-4-2核能級在磁場中的分裂在電磁學中，我們知道核自旋磁矩和恒定磁場的相互作用能為（5-4-4）而E相附加在原來的核能級上就造就了核能級在磁場中的分裂。以氫核為例，因，如圖5-4-2所示，原有的核能級E就分裂為兩個子能級和，即有（5-4-5）兩個子能級間的能量間隔為（5-4-6）如果在垂直于B的方向同時再加一交變射頻磁場，即，并且其量子能量剛好等于兩相鄰子能級的能級差，根據(jù)量子力學的選擇定則，處于低子能級（例如）上的原子核就將吸收交變磁場的能量，躍遷到高子能級(例如)，這種躍遷稱作為核磁共振躍遷?？梢?，核磁共振就是原子核在外磁場和與之垂直的射頻磁場同時作用下且滿足一定條件時所產(chǎn)生的共振。這個條件就是即（5-4-7）式中稱作共振頻率，其大小取決于與該核有關的常量和外磁場的強弱。1、實驗方法實驗中，樣品放在探測線圈中，由邊限振蕩器的探測線圈測出核磁共振吸收信號。所謂邊限振蕩器實質(zhì)上是處于接近臨界狀態(tài)的振蕩器，若探測線圈的品質(zhì)因數(shù)值（取決于電路參數(shù)R、L、C的大?。┞晕⒆兓?，振蕩器的輸出就有明顯變化。探測線圈既向樣品提供交變射頻磁場（其方向與待測磁場方向相互垂直），又能探測樣品對交變場的能量吸收。其原理是：在共振狀態(tài)附近，由于樣品吸收交變場的能量發(fā)生核磁共振，樣品的磁化率分量的大小發(fā)生變化，這就使探測線圈的電感L也跟著發(fā)生變化，從而使探測線圈的值有所改變，結(jié)果導致邊限振蕩器的輸出幅度發(fā)生變化。通過探測電路將此變化在示波器上顯示出來，就可觀測到核磁共振的吸收信號。在本實驗中我們采用掃場法。這種方法的外磁場是由兩部分構成：一是永久磁鐵形成恒定的均勻強磁場；另一部分是借助調(diào)壓器在掃場線圈中通以50HZ交流電，從而形成一個方向與平行、幅度可調(diào)的掃描磁場，即(使)。其結(jié)果，沿的方向作用到樣品上的外磁場為。顯然，是以恒定值B為中心值的掃描磁場，和分別是掃描磁場的振幅和頻率。相應的樣品的核磁共振頻率為（5-4-8）令（5-4-9）則式（5-4-8）可改寫為（5-4-10）應指出，不要混淆和，是與恒定的磁場B相聯(lián)系的共振頻率，為一恒定值，而則是一個變量。樣品在強外磁場B（t）的作用下，由式（5-4-8）表示的共振頻率曲線和邊限振蕩器的頻率特性曲線如圖5-4-3所示，的大小手動可調(diào)。圖5-4-5核磁共振的線型與尾波圖5-4-3樣品的共振頻率和邊限振蕩器輸出的頻率圖5-4-4核磁共振信號曲線當樣品的共振頻率的數(shù)值隨時間一旦變化到與邊限振蕩器的輸出頻率相等時，樣品就處于共振狀態(tài)。兩圖線的交點，即為共振點，由此可以得出共振信號在示波器屏幕上的位置，如圖5-4-4所示。這表明在樣品的共振頻率變化的一個周期內(nèi)，示波器屏幕上一般可以看到兩個共振信號，而且分布不均勻。由于這時≠，因此圖5-4-5核磁共振的線型與尾波圖5-4-3樣品的共振頻率和邊限振蕩器輸出的頻率圖5-4-4核磁共振信號曲線圖5-4-6核磁共振實驗儀實物圖圖5-4-6核磁共振實驗儀實物圖圖5-4-7電磁鐵結(jié)構示意圖1-線圈引出端；2-線圈引出端；3-勵磁線圈；4-電磁鐵鐵芯；5-間隙：6-手柄。5-4-8邊限振蕩器后面板圖5-4-9邊限振蕩器1-探頭；2-航空線；3-電源指示燈；4-射頻調(diào)節(jié)(粗調(diào))旋鈕；5-射頻調(diào)節(jié)(細調(diào))旋鈕圖5-4-7電磁鐵結(jié)構示意圖1-線圈引出端；2-線圈引出端；3-勵磁線圈；4-電磁鐵鐵芯；5-間隙：6-手柄。5-4-8邊限振蕩器后面板圖5-4-9邊限振蕩器1-探頭；2-航空線；3-電源指示燈；4-射頻調(diào)節(jié)(粗調(diào))旋鈕；5-射頻調(diào)節(jié)(細調(diào))旋鈕；6-射頻信號輸出；7-共振信號輸出；8-射頻幅度調(diào)節(jié)旋鈕；9-振蕩幅度指示表；10-高度調(diào)節(jié)螺絲圖11-探頭接口；12-三芯航空插頭；13-接地線?！緦嶒瀮x器】1、HLD-NMR-II型核磁共振實驗儀HLD-NMR-II型核磁共振實驗儀實物圖如圖5-4-6所使。需要指出的是掃描電源輸出端除有交流的掃描電壓（0～10V）2、電磁鐵結(jié)構電磁鐵結(jié)構示意圖如5-4-73、邊限振蕩器邊限振蕩器如圖5-4-8和圖5-4-9，標號功能見圖注。圖5-4-10圖5-4-10磁場掃描電源圖5-4-111-掃描幅度調(diào)節(jié)旋鈕；2-電源開關；3-掃描輸出；4-X軸輸出；5-X軸幅度調(diào)節(jié)旋鈕；6-X軸相位調(diào)節(jié)旋鈕；7-掃描輸出電壓指示表頭；8-電源指示燈；9-三芯航空插頭；10-電源插頭掃描電源如圖5-4-10和圖5-4-11所示，各標號功能見圖注?！緦嶒灢襟E及實驗內(nèi)容】1、實驗步驟=1\*GB2⑴將“掃描電源”的‘掃描輸出’兩個輸出端，接磁鐵的接線柱上。“掃描電源”背后的航空接頭與邊限振蕩器的接頭連接，將“X軸輸出”用同軸線接到示波器的CH1或CH2通道。=2\*GB2⑵將“邊限振蕩器”的‘共振信號輸出’用同軸線接示波器CH1通道或CH2通道(但在觀測李薩如圖形時要接CH2通道)?！邦l率輸出”用同軸線接頻率計的A通道(頻率計的通道選擇:A通道，即1Hz--100MHz;FUCTION選擇：FA；GATETIME選擇1S)。=3\*GB2⑶將“掃描電源”的‘掃描輸出’順時針調(diào)至接近最大(旋至最大后，再往回旋半圈；因為最大時電位器電阻為零，輸出短路因而對儀器有一定損傷)，這樣可以加大捕捉信號的范圍。=4\*GB2⑷將樣品放入探頭中并將其置于磁鐵中。調(diào)節(jié)“邊限振蕩器”的頻率‘粗調(diào)’電位器，將頻率調(diào)節(jié)至初步估計的共振頻率，然后再用調(diào)節(jié)頻率‘細調(diào)’旋鈕，在此附近捕捉信號；調(diào)節(jié)旋鈕時要慢，因為共振范圍非常小，很容易跳過。=5\*GB2⑸調(diào)出共振信號后，降低掃描幅度，調(diào)節(jié)頻率‘微調(diào)’至信號等寬。同時調(diào)節(jié)樣品在磁鐵中的空間位置來得到幅度最大、尾波最多，馳豫時間最長的共振信號。=6\*GB2⑹對于不同的測試材料射頻幅度隨樣品不同而不同。在初次調(diào)試時應注意，否則信號太小不容易被觀測。表5-4-1部分樣品的馳豫時間T1樣品馳豫時間()最佳射頻幅度范圍CuSo4約0.1mS3-4V甘油約25mS0.5-2V=7\*GB2⑺李薩如圖形觀測。只要按下示波器上的‘X-Y’按鈕就可以觀測到李薩如圖形（如圖5-4-12所示）；當調(diào)節(jié)‘X軸幅度’旋鈕及‘X軸相位’旋鈕時，信號就會有一定的變化。圖5-4-12李薩如圖形圖5-4-12=1\*GB2⑴觀察樣品的核磁共振信號（記錄數(shù)據(jù)和圖形）。=1\*GB3①調(diào)節(jié)邊限振蕩器的“頻率調(diào)節(jié)”旋鈕，使示波器上出現(xiàn)共振信號。=2\*GB3②固定提供掃場的調(diào)壓器輸出電壓為某一值,調(diào)節(jié)邊限振蕩器的“頻率調(diào)節(jié)”旋鈕改變邊限振蕩器的頻率，觀察示波器上共振信號的變化，并記下相應的掃場電壓V，邊限振蕩器頻率（由頻率計讀出）值。=2\*GB2⑵測量穩(wěn)恒磁場的磁感強度=1\*GB3①將樣品放入永磁鐵的磁場最強處，可左右移動邊限振蕩器鐵盒，觀察示波器上共振信號波形，當波形尾波最多時，樣品即在磁場最強處。=2\*GB3②調(diào)節(jié)邊限振蕩器的“頻率調(diào)節(jié)”旋鈕使共振信號等間距。=3\*GB3③讀頻率計記下此時的頻率值。=4\*GB3④將信號調(diào)離等間距重復以上=2\*GB3②、=3\*GB3③步驟，此步驟進行5次。求頻率的平均值。=5\*GB3⑤記下永磁鐵上的磁感應強度。【數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】表5-4-2射頻頻率測量次數(shù)頻率值平均值不確定度12345=1\*GB2⑴計算頻率的不確定度并正確表達實驗結(jié)果。=2\*GB2⑵由式計算穩(wěn)恒磁場的磁感強度B及其不確定度?！咀⒁馐马棥?、掃描電源輸出端有120V左右的直流電壓，請不要觸摸?！舅伎碱}】1、如何確定對應于磁場B時核磁共振的共振頻率。2、不加掃描電壓能否觀察到掃描信號？5.5智能型光電效應實驗儀測普朗克常數(shù)19世紀末，物理學已經(jīng)在力、熱、電、光等領域建立了完整的理論體系，在應用上也取得巨大成果之時，物理學家普遍認為物理學已經(jīng)發(fā)展到頂峰，實驗上卻出現(xiàn)了一系列重大發(fā)現(xiàn)，光電效應實驗就是其中之一。1905年愛因斯坦提出了光的量子學說，成功地對光電效應現(xiàn)象作出正確地解釋，從而揭開了現(xiàn)代物理學革命的序幕。光電效應是指一定頻率的光照射在金屬表面時會有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。光電效應實驗對于認識光的本質(zhì)及早期量子理論的發(fā)展具有里程碑式的意義。今天，光電效應已在數(shù)字技術、自動控制等方面得以廣泛應用?！緦嶒災康摹苛私夤怆娦囊?guī)律，加深對光的量子性的理解。測量普朗克常數(shù)。描繪光電管的伏安特性曲線?！緦嶒炘怼繄D5-5-1光電效應實驗原理及實驗曲線光電效應的實驗原理如圖5-5-1中的圖1所示。入射光照射到光電管陰極K上，產(chǎn)生的光電子在電場的作用下向陽極A遷移形成光電流，改變外加電壓，測量出光電流圖5-5-1光電效應實驗原理及實驗曲線光電效應的基本實驗如下：=1\*GB2⑴、對應于某一頻率，光電效應的關系如圖5-5-1中的圖2所示。從圖中可見，對一定的頻率，有一電壓與其對應，當時，電流為零，這個相對于陰極的負值電壓，被稱為截止電壓。=2\*GB2⑵、當后，電流迅速增加，然后趨于飽和，飽和光電流的大小與入射光的強度成正比。=3\*GB2⑶、對于不同頻率的光，其截止電壓的值不同，如圖5-5-1中的圖3所示。圖5-30-1光電效應原理及實驗曲線=4\*GB2⑷、作截止電壓與頻率的關系曲線如圖5-5-1中的圖4所示。與成正比關系。當入射光頻率低于某極限值，(隨不同金屬而異)時，不論光的強度如何，照射時間多長，都沒有光電流產(chǎn)生。圖5-30-1光電效應原理及實驗曲線=5\*GB2⑸、光電效應是瞬時效應。即使入射光的強度非常微弱，只要頻率大于，在開始照射后立即有光電子產(chǎn)生，所經(jīng)過的時間至多為的數(shù)量級。按照愛因斯坦的光量子理論，光能并不像電磁波理論所想象的那樣，分布在波陣面上，而是集中在被稱之為光子的微粒上，但這種微粒仍然保持著頻率(或波長)的概念，頻率為的光子具有能量，為普朗克常數(shù)。當光子照射到金屬表面上時，一次為金屬中的電子全部吸收，而無需積累能量的時間。電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引力，余下的就變?yōu)殡娮与x開金屬表面后的動能，按照能量守恒原理，愛因斯坦提出了著名的光電效應方程：(5-5-1)式中，A為金屬的逸出功，為光電子獲得的初始動能。由式5-5-1(5-5-2)陽極電位高于截止電壓后，隨著陽極電位的升高，陽極對陰極發(fā)射的電子的收集作用越強，光電流隨之上升；當陽極電壓高到一定程度，已把陰極發(fā)射的光電子幾乎全收集到陽極，再增加時不再變化，光電流出現(xiàn)飽和，飽和光電流的大小與入射光的強度P成正比。光子的能量時，電子不能脫離金屬，因而沒有光電流產(chǎn)生。產(chǎn)生光電效應的最低頻率(截止頻率)是。將上述兩式整理可得：(5-5-3)式5-5-3表明截止電壓是頻率的線性函數(shù)，直線斜率，只要用實驗方法得出不同的頻率對應的截止電壓，求出直線斜率，就可算出普朗克常數(shù)h?！緦嶒瀮x器】圖5-5圖5-5-2智能光電效應(普朗克常數(shù))實驗儀由汞燈及電源、濾色片、光闌、光電管、智能實驗儀構成，儀器結(jié)構如圖5-5-2ZKY-GD-4智能光電效應實驗儀面板共分12個區(qū)，如圖5-5-3圖5-5-3儀器面板圖區(qū)(1)是電流量程調(diào)節(jié)及指示，有10—8A、10—9A、10—10A圖5-5-3區(qū)(2)是復用區(qū)，用于電流指示和自動掃描起始電壓設置指示復用：當實驗儀處于測試狀態(tài)或查詢狀態(tài)時，區(qū)(2)是電流指示區(qū)；當實驗儀處于設置自動掃描電壓時，區(qū){2)是自動掃描起始電壓設置指示區(qū)；四位七段數(shù)碼管指示電流或電壓值。區(qū)(3)是復用區(qū)，用于電壓指示、自動掃描終止電壓設置指示和調(diào)零狀態(tài)指示復用：當實驗儀處于測試狀態(tài)或查詢狀態(tài)時，區(qū)(3)是電壓指示區(qū)；當實驗儀處于設置自動掃描電壓時，區(qū)(3)是自動掃描終止電壓設置指示區(qū)；當實驗儀處于調(diào)零狀態(tài)時，區(qū){3)是調(diào)零狀態(tài)指示區(qū)，顯示四位七段數(shù)碼管指示電壓值。區(qū)(4)是實驗類型選擇區(qū)：當綠燈亮時，實驗儀選擇伏安特性測試實驗：當紅燈亮時，實驗儀選擇截止電壓測試實驗。區(qū)=5\*GB2⑸是調(diào)零狀態(tài)區(qū)，用于系統(tǒng)調(diào)零。區(qū)(6)、區(qū)(8)是示波器連接區(qū)。區(qū)(6)、區(qū)(8)可將信號送示波器顯示。區(qū)(7)是存貯區(qū)選擇區(qū)：通過按鍵選擇存貯區(qū)。區(qū)=9\*GB2⑼是復用區(qū)，用于調(diào)零確認和系統(tǒng)清零：當實驗儀處于調(diào)零狀態(tài)時，按下此鍵則跳出調(diào)零狀態(tài)；當實驗儀處于測試狀態(tài)或查詢狀態(tài)時，按下此鍵系統(tǒng)清零，重新啟動，并進入調(diào)零狀態(tài)。區(qū)=10\*GB2⑽是電壓調(diào)節(jié)區(qū)：通過按鍵調(diào)節(jié)電壓。區(qū){11)是工作狀態(tài)指示選擇區(qū)：用于選擇及指示實驗儀工作狀態(tài)；通信指示燈指示實驗儀與計算機的通信狀態(tài)。區(qū){12)是電源開關。注意：=1\*GB2⑴儀器開機或變換電流量程時，必須對儀器進行調(diào)零。調(diào)零時，測試信號輸入線要與光電管暗盒斷開。=2\*GB2⑵、伏安特性測試時，電流檔位為；截止電壓測試時，電流檔位為。【實驗內(nèi)容及步驟】1、測試前準備：光電效應實驗儀、光電管、示波器或計算機主機由實驗老師連接調(diào)試完畢后，學生完成以下實驗：=1\*GB2⑴、將實驗儀及汞燈電源接通(汞燈及光電管暗箱遮光蓋蓋上)，預熱20分鐘。=2\*GB2⑵、調(diào)整光電管與汞燈距離為約40cm并保持不變。=3\*GB2⑶、用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與實驗儀電壓輸出端(后面板上)連接起來(紅一紅，蘭一蘭)。=4\*GB2⑷、將“電流量程”選擇開關置于所選檔位，進行測試前調(diào)零。實驗儀在開機或改變電流量程后，都會自動進入調(diào)零狀態(tài)。調(diào)零時應將光電管暗箱電流輸出端K與實驗儀微