目录 能级与光谱模块 弗兰克一赫兹实验.1 费米-狄拉克分布.4 用多功能光栅光谱仪进行钠光谱测量实验.9 场致效应模块 塞曼效应15 电子自旋共振. 20 波特性模块 声速测定. .26 噪声频谐分析实验 32 微波技术实验 6 相对论与核物理模块 验证快速电子的动量与动能的相对论关系 .53 CT实验. .61 固体特性模块 超导转变温度与磁悬浮力测量实验. 65 色度实验 72 传感器实验 粉末X-射线衍射仪的使用.87
目 录 能级与光谱模块 弗兰克—赫兹实验 . 1 费米-狄拉克分布 . 4 用多功能光栅光谱仪进行钠光谱测量实验 . 9 场致效应模块 塞曼效应 . 15 电子自旋共振 . 20 波特性模块 声速测定 . 26 噪声频谱分析实验 . 32 微波技术实验 . 46 相对论与核物理模块 验证快速电子的动量与动能的相对论关系 . 53 CT实验 . 61 固体特性模块 超导转变温度与磁悬浮力测量实验 . 65 色度实验 . 72 传感器实验 . 83 粉末X-射线衍射仪的使用 . 87
弗兰克一赫兹实验 弗兰克-赫兹实验是1914年由德国物理学家弗兰克和赫兹设计完成的。该实验研究电子与原子碰 撞前后能量的变化，能观测到汞原子的激发电势和电离电势，可以证明原子能级的存在，为波尔的原 子结构理论假说提供有力的实验证据。该实验的方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。 1913年丹麦物理学家玻尔(NBor)提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。该理论指出， 原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量￡）向低能态（能量E)跃迁时才辐射。辐射 能最满足 AE E-E (1) 对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。 1914年德国物理学家弗兰克(J-Franck)和赫兹 (G-Hertz)用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第 微电流仪 微发电位，从而证明了原子分立能态的存在。后来他们叉 观测了实验中被激发的原子回到正常态时所辐射的光，测出 电子 的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克一赫兹实验 的结果为玻尔理论提供了直接证据。玻尔因其原子模型理论 获1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于1925 年获此奖。 【实验目的】 1、了解弗兰克-赫兹实验仪的结构、原理，学会它的调 灯电压 节和使用方法。 图1弗兰克赫兹实验原理图 2、了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。 3、测量氩原子的第一激发电位： 4、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解： 【预习思考题】 1.简述F一H实验管原理。 2.为什么I一V曲线呈周期性变化？ 3.为什么实验中板极电流并不是突然下降，在极大值附近出现的“峰”总会有一定的宽度？为什么板 极电流并没有降到零？ 4.能否采用适当的管子和线路，在较低的温度下就有可能进行高能级激发电位或电离电位的测定？ 【实验器材】 智能型弗兰克-赫兹实验仪，计算机，示波器 1
弗兰克—赫兹实验 弗兰克-赫兹实验是 1914 年由德国物理学家弗兰克和赫兹设计完成的。该实验研究电子与原子碰 撞前后能量的变化，能观测到汞原子的激发电势和电离电势，可以证明原子能级的存在，为波尔的原 子结构理论假说提供有力的实验证据。该实验的方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。 1913 年丹麦物理学家玻尔（NwBohr）提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。该理论指出， 原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量Em）向低能态（能量En）跃迁时才辐射。辐射 能量满足 ΔE = Em−En （1） 对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。 1914 年德国物理学家弗兰克（ JwFranck）和赫兹 （GwHertz）用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第 一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。后来他们又 观测了实验中被激发的原子回到正常态时所辐射的光，测出 的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克—赫兹实验 的结果为玻尔理论提供了直接证据。玻尔因其原子模型理论 获 1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于 1925 年获此奖。 【实验目的】 1、了解弗兰克-赫兹实验仪的结构、原理，学会它的调 节和使用方法。 2、了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。 3、测量氩原子的第一激发电位； 4、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解； 【预习思考题】 1． 简述 F—H 实验管原理。 2． 为什么 I—V 曲线呈周期性变化？ 3． 为什么实验中板极电流并不是突然下降，在极大值附近出现的“峰”总会有一定的宽度？为什么板 极电流并没有降到零？ 4． 能否采用适当的管子和线路，在较低的温度下就有可能进行高能级激发电位或电离电位的测定？ 【实验器材】 智能型弗兰克-赫兹实验仪，计算机，示波器 图 1 弗兰克-赫兹实验原理图 电子 氩原子 G2 G1 A I UG2K UG2A 微电流仪 K UG1K 灯丝电压 1
【实验原理】 夫兰克一赫兹实验原理如图1所示，在真空管中充待测氩气，阴极K,阳极A,G、G分别为第一、 第二栅极。 K-GG:加正向电压，为电子提供能量。Ucx的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响 提高发射效率。G-A加反向电压，形成拒斥电场。 电子从K发出，在K-G区间获得能量，在G一A区间损失能量。如果电子进入G一A区域时动能大于或 等于Uc,A,就能到达阳极形成阳极电流 电子在不同区间的情况： 1,K-G区间电子迅速被电场加速而获得能量。 2.G-G区间电子与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差4E-&-B时， 氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到4，则可能在碰撞中被氩原子 吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。4称为临界能量。 3.GA区间电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于则不能达到 阳极。 由此可见，若ex(4E,则电子带着e6ax的能量进 /(nA) 入G-A区域。随者✉的增加，电流增加（如图2中 a段)。 若ex=4测电子在达到G,处刚够临界能量，不 过它立即开始消耗能量了，继续增大x,电子能最被 吸收的概率逐渐增加，阳极电电电流逐渐下降（如图 Uex(V) 2中ab殿)。 继续增大，电子碰撞后的剩余能量也增加，到 图2弗兰克赫兹实验U6x~1曲线 达阳极的电子又会逐渐增多（如图2中bc段）。 若el6x>n4E,则电子在进入G2-A区域之前可能次被氩原子碰撞而损失能量。阳极电流随加速电压 U。K变化曲线就形成个峰值，如图2所示。相邻峰值之间的电压差4称为氩原子的第一激发电位。 氯原子第一激发态与基态间的能级差 (2) 【实验内容及步骤】 测量原子的第一激发电位。通过一I曲线，观察原子能量量子化情况，并求出氩原子的第一激 发电位。 一、实验步骤 1.将面板上的四对插座（灯丝电压，Uk:第二栅压，UGK:第一栅压，UGA:拒斥电压）按面 板上的接线图与电子管测试架上的相应插座用专用连接线连好。将实验仪器与计算机（或示波器）连 接好
【实验原理】 夫兰克一赫兹实验原理如图 1 所示，在真空管中充待测氩气，阴极K，阳极A，G1 、G2分别为第一、 第二栅极。 K-G1-G2加正向电压，为电子提供能量。 的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响， 提高发射效率。G G K1 U 2-A加反向电压，形成拒斥电场。 电子从K发出，在K-G2区间获得能量，在G2-A区间损失能量。如果电子进入G2-A区域时动能大于或 等于e ，就能到达阳极形成阳极电流I. G A2 U 电子在不同区间的情况： 1. K-G1区间 电子迅速被电场加速而获得能量。 2. G1-G2区间 电子与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差ΔE＝E2−E1 时， 氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到ΔE，则可能在碰撞中被氩原子 吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。ΔE称为临界能量。 3. G2-A区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于eU G2A则不能达到 阳极。 图 2 弗兰克-赫兹实验 G K2 U ～I 曲线 a b c I(nA) G K2 U (V ) O U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 由此可见，若eUG2K<ΔE，则电子带着eUG2K的能量进 入G2-A区域。随着UG2K的增加，电流I增加（如图 2 中 Oa段）。 若eUG2K＝ΔE则电子在达到G2处刚够临界能量，不 过它立即开始消耗能量了。继续增大UG2K，电子能量被 吸收的概率逐渐增加，阳极电电电流逐渐下降（如图 2 中ab段）。 继续增大UG2K，电子碰撞后的剩余能量也增加，到 达阳极的电子又会逐渐增多（如图 2 中bc段）。 若eUG2K>nΔE，则电子在进入G2-A区域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。阳极电流I随加速电压 变化曲线就形成n个峰值，如图 2 所示。相邻峰值之间的电压差ΔU称为氩原子的第一激发电位。 氩原子第一激发态与基态间的能级差 G K2 U ΔE= eΔU （2） 【实验内容及步骤】 测量原子的第一激发电位。通过UG2K-I曲线，观察原子能量量子化情况，并求出氩原子的第一激 发电位。 一、实验步骤 1．将面板上的四对插座（灯丝电压， ：第二栅压， ：第一栅压， ：拒斥电压）按面 板上的接线图与电子管测试架上的相应插座用专用连接线连好。将实验仪器与计算机（或示波器）连 接好。 G K2 U G K1 U G A2 U 2
2.打开仪器电源，开启计算机（成示波器）。 3。“自动/手动”挡开机时位于“手动”位置，此时“手动”灯点亮。 4.电流档为10A、10A、10'A和10A、开机时位于“10A”本实验保持此档不变。 5.按电子管测试架铭牌上给出的灯丝电压值、第一懦压Uk、拒斥电压心、电流量程预置相应 值。按下相应电压键，指示灯点亮，按下“A”健或“V”键，更改预置值，若按下“<”健或“>” 键，可更改预置值的位数，向前或向后移动一位。 6。电子管的加载。同时按下“st”键和“)”健，则灯丝电压，第一栅压，第二栅压和拒斥电压等 四组电压按预置值加载到电子管上，此时“加载”指示灯亮。注意：只有四组电压都加载时，此灯才 常亮。 7.四组电压都加载后，预热十分钟以上方可进行实验， 8.按下“自动/手动”链，此时“自动”灯点亮。此时仪器进入自动测量状态。 9.在自动测量状态下，第二栅压从0开始变到85V结束，期间要注意观察示波器曲线峰值位置，并记 录相应的第二栅压值。 10.自动状态测量结束后，按“自动/手动”健到“手动”状态，等待5分钟后进行手动测量。 11.改变第二栅压从0开始变到85V结束，要求每改变1V记录相应I和Uc.k值。 12.实验完毕后，同时按下“set”键+“<”健，“加载”指示灯熄灭，使四组电压卸载。 13.关闭仪器电源。 二、数据处理 1.作出r尚线，确定出极大时所对应的电压Ux 2.用最小二乘法求氩的第一激发电位，并计算不确定度 【注意事项】 灯丝电压和加速电压过大会导致电子管电离，电子管电离后电子管电流会自发增大直至烧毁。 旦发现I为负值或正值超过10μA,迅速关机，5分钟后重新开机。 【思考题】 1.一I曲线电流下降并不十分陡峭，主要原因是什么？ 2.I的谷值并不为零，而且谷值依次沿Ux轴升高，如何解释？ 3.第一峰值所对应的电压是否等于第一激发电位？原因是什么？ 4.写出氩原子第一激发态与基态的能级差。 3
2．打开仪器电源,开启计算机(或示波器)。 3．“自动/手动”挡开机时位于“手动”位置，此时“手动 ”灯点亮。 4．电流档为 10−9 A、10−８ A、10−７ A和 10−６ A、开机时位于“10−9 A”本实验保持此档不变。 5．按电子管测试架铭牌上给出的灯丝电压值、第一栅压 G K1 U 、拒斥电压 、电流量程I预置相应 值。按下相应电压键，指示灯点亮，按下“∧”键或“∨”键，更改预置值，若按下“<” 键或“>” 键,可更改预置值的位数，向前或向后移动一位。 G A2 U 6．电子管的加载。同时按下“set” 键和“>” 键，则灯丝电压，第一栅压，第二栅压和拒斥电压等 四组电压按预置值加载到电子管上，此时“加载 ”指示灯亮。注意：只有四组电压都加载时，此灯才 常亮。 7．四组电压都加载后，预热十分钟以上方可进行实验。 8．按下“自动/手动”键，此时“自动 ”灯点亮。此时仪器进入自动测量状态。 9．在自动测量状态下，第二栅压从 0 开始变到 85V 结束，期间要注意观察示波器曲线峰值位置，并记 录相应的第二栅压值。 10．自动状态测量结束后，按“自动/手动”键到“手动”状态，等待 5 分钟后进行手动测量。 11．改变第二栅压从 0 开始变到 85V 结束，要求每改变 1V 记录相应 I 和 值。 G K2 U 12．实验完毕后，同时按下“set ”键 +“< ”键，“加载 ”指示灯熄灭，使四组电压卸载。 13．关闭仪器电源。 二、数据处理 1.作出UG2K-I曲线，确定出I极大时所对应的电压 . G K2 U 2.用最小二乘法求氩的第一激发电位，并计算不确定度。 【注意事项】 灯丝电压和加速电压过大会导致电子管电离，电子管电离后电子管电流会自发增大直至烧毁。一 旦发现 I 为负值或正值超过 10μA，迅速关机，5 分钟后重新开机。 【思考题】 1. UG2K-I曲线电流下降并不十分陡峭，主要原因是什么？ 2.I 的谷值并不为零，而且谷值依次沿 轴升高，如何解释？ G K2 U 3.第一峰值所对应的电压是否等于第一激发电位？原因是什么？ 4.写出氩原子第一激发态与基态的能级差。 3
费米-狄拉克分布 【实验目的】 1.通过实验验证费米一狄拉克分布 2.学习一种实验方法及处理实验数据的技巧， 【实验器材】 FWⅡ型费米-狄拉克分布实验仪 【预习思考题】 1.金属中的电子按能量的分布遵从什么规律？表现出什么特性？ 2。由于金属内部电子的能量无法测量，本实验中具体是如何进行测量的？ 3。电子作圆周运动的半径由什么决定，它对阳极电流又有什么影响？ 【实验原理】 近代电子理论认为金属中的电子按能量的分布是遵从费米一狄拉克的量子统计规律的，费米分布 函数为 (e)-expl(-)/KT]1 (1) 金属中的每个电子都占有一定能量的能级，这些能级相互靠得很近，形成能带。当其温度为绝对 零度时，金属中电子的平均能量并不为零。此时金属中的电子将能量从零到能量￡，(6，称费米能级， 6,的值随金属的不同而不同)的能级全部占据。而高于费米能级的那些能级全部空着，没有电子去占 据。如图(1)中的实线所示，当金属的温度为1500℃，则靠近费米能级的少数电子由于运动的加剧， 其能量超过6值，因而从低于费米能级的能带跃迁到高于费米能级的能带上去，其分布曲线如图(1) 中虚线所示。我们的实验是在灯丝灼热（约1400℃~1500℃）的情况下进行的，因此我们实验所测的 结果也只是靠近费米能级的一部分，如图(1)中矩形所包的虚线部分。 对D式求号可得8e)-2e-网 (2) (1)、(2)两式的理论曲线如图(1)和图(2)所示。 g(E) 4 图1， 4
费米-狄拉克分布 【实验目的】 1.通过实验验证费米—狄拉克分布。 2.学习一种实验方法及处理实验数据的技巧。 【实验器材】 FM-Ⅱ型费米-狄拉克分布实验仪 【预习思考题】 1. 金属中的电子按能量的分布遵从什么规律？表现出什么特性？ 2. 由于金属内部电子的能量无法测量，本实验中具体是如何进行测量的？ 3. 电子作圆周运动的半径由什么决定，它对阳极电流又有什么影响？ 【实验原理】 近代电子理论认为金属中的电子按能量的分布是遵从费米—狄拉克的量子统计规律的，费米分布 函数为 exp 1kT 1 g − f + = ]/)[( )( εε ε （1） 金属中的每个电子都占有一定能量的能级，这些能级相互靠得很近，形成能带。当其温度为绝对 零度时，金属中电子的平均能量并不为零。此时金属中的电子将能量从零到能量 f ε （ f ε 称费米能级， f ε 的值随金属的不同而不同）的能级全部占据。而高于费米能级的那些能级全部空着，没有电子去占 据。如图（1）中的实线所示，当金属的温度为 15000 C，则靠近费米能级的少数电子由于运动的加剧， 其能量超过 f ε 值，因而从低于费米能级的能带跃迁到高于费米能级的能带上去，其分布曲线如图（1） 中虚线所示。我们的实验是在灯丝灼热（约 14000 C~15000 C）的情况下进行的，因此我们实验所测的 结果也只是靠近费米能级的一部分，如图（1）中矩形所包的虚线部分。 对（1）式求导可得 2 f f expkT 1kT exp kT d dg g }]/)[({ )( ]/)[( )( +− − − == εε ε ε ε ε ε （2） （1）、（2）两式的理论曲线如图（1）和图（2）所示。 4