近代物理实验近代物理实验讲义2011年目录-
1 近代物理实验 近代物理实验讲义 2011 年 目 录
前言：实验一夫兰克一赫兹实验实验二密立根油滴实验实验三迈克耳逊干涉仪的调整与使用22实验四激光全息照相实验28实验五原子发射光谱实验(:36实验六原子发射光谱实验（二..·40实验七核磁共振实验..·45实验八智能型光电效应实验仪测普朗克常数-53实验九分光计的调整和使用-59实验十光速的测量·67实验十一超声光栅测声速·73实验十二塞曼效应实验·79实验十三喇曼光谱实验-87实验十四变温霍尔效应实验....95前言实验是物理学发展的基础，又是检验物理理论的唯一手段。特别是现代物理学的兴2
2 前言.3 实验一 夫兰克一赫兹实验 .4 实验二 密立根油滴实验 . . .9 实验三 迈克耳逊干涉仪的调整与使用 .22 实验四 激光全息照相实验 .28 实验五 原子发射光谱实验(一).36 实验六 原子发射光谱实验(二).40 实验七 核磁共振实验 .45 实验八 智能型光电效应实验仪测普朗克常数 .53 实验九 分光计的调整和使用 .59 实验十 光速的测量 .67 实验十一 超声光栅测声速.73 实验十二 塞曼效应实验 .79 实验十三 喇曼光谱实验 .87 实验十四 变温霍尔效应实验 .95 前 言 实验是物理学发展的基础，又是检验物理理论的唯一手段。特别是现代物理学的兴
起，更和实验有着密切的联系。正是实验技术的发展，不断地揭示和发现各种新的物理学现象，日益加深人们对客观世界规律的认识，从而推动着物理学的向前发展。近代物理实验是继普通物理实验之后为应用物理学专业高年级学生开设的一门重要的实验课程。在近代物理实验要做的十多个实验中，有在近代物理学发展史上堪称里程碑的著名实验，也有与现代科学技术中常用实验方法或现代技术有关的实验。与普通物理实验相比，近代物理实验所涉及的知识面很广，具有较强的综合性和技术性。我们开设近代物理实验，一方面使同学们进一步认识物理实验对近代物理规律发现和近代物理理论的建立所起的重大作用，加深对近代物理概念和规律的理解。另一方面，使同学们能掌握近代物理及现代技术中的一些常用实验方法和实验技能，进一步培养良好的实验习惯和严谨的科学作风，使同学们获得一定程度的用实验方法和技术研究物理问题的独立工作能力。因此，学好近代物理实验是十分重要的。为了完成好近代物理实验，除了一般物理实验要求之外，特别要求同学们做到以下二点：第一，认真做好预习。与普通物理实验相比，各个近代物理实验的原理和使用的仪器设备都要复杂、精密得多。因此要求同学们一定要化足够时间做好预习，可以先到近物实验室看看，预先了解各实验仪器设备的特性与使用方法。不预先懂得实验原理，不掌握实验仪器的特性、操作要领和实验步骤等，是断然做不好近代物理实验的第二，在教师指导下，要独立完成实验。培养独立工作能力，是开设近代物理实验的重要目的之一，也是大学高年级学生应具备的能力之一。教师只是起指导作用。从每个实验的原理了解，每台仪器特性掌握，到实验步骤确定，实验数据记录、实验结果分析等，都要求同学们能独立完成。同学们要认真阅读本讲义，也要查阅、研究其他文献资料，还要积极思考、不断探索，独立解决遇到各种问题。最后，祝同学们顺利完成近代物理实验课程！近代物理实验室二0一一年二月实验一夫兰克一赫兹实验n
3 起，更和实验有着密切的联系。正是实验技术的发展，不断地揭示和发现各种新的物理 学现象，日益加深人们对客观世界规律的认识，从而推动着物理学的向前发展。 近代物理实验是继普通物理实验之后为应用物理学专业高年级学生开设的一门重 要的实验课程。在近代物理实验要做的十多个实验中，有在近代物理学发展史上堪称里 程碑的著名实验，也有与现代科学技术中常用实验方法或现代技术有关的实验。与普通 物理实验相比，近代物理实验所涉及的知识面很广，具有较强的综合性和技术性。我们 开设近代物理实验，一方面使同学们进一步认识物理实验对近代物理规律发现和近代物 理理论的建立所起的重大作用，加深对近代物理概念和规律的理解。另一方面，使同学 们能掌握近代物理及现代技术中的一些常用实验方法和实验技能，进一步培养良好的实 验习惯和严谨的科学作风，使同学们获得一定程度的用实验方法和技术研究物理问题的 独立工作能力。因此，学好近代物理实验是十分重要的。 为了完成好近代物理实验，除了一般物理实验要求之外，特别要求同学们做到以下 二点： 第一，认真做好预习。 与普通物理实验相比，各个近代物理实验的原理和使用的仪器设备都要复杂、精密 得多。因此要求同学们一定要化足够时间做好预习，可以先到近物实验室看看，预先了 解各实验仪器设备的特性与使用方法。不预先懂得实验原理，不掌握实验仪器的特性、 操作要领和实验步骤等，是断然做不好近代物理实验的。 第二，在教师指导下，要独立完成实验。 培养独立工作能力，是开设近代物理实验的重要目的之一，也是大学高年级学生应 具备的能力之一。教师只是起指导作用。从每个实验的原理了解，每台仪器特性掌握， 到实验步骤确定，实验数据记录、实验结果分析等，都要求同学们能独立完成。同学们 要认真阅读本讲义，也要查阅、研究其他文献资料，还要积极思考、不断探索，独立解 决遇到各种问题。 最后，祝同学们顺利完成近代物理实验课程！ 近代物理实验室 二 0 一一年二月 实验一 夫兰克—赫兹实验
1931年，尼·玻尔在描绘氢原子光谱规律经验公式的基础上建立了新的原子结构理论，提出原子只能较长久地停留在一些稳定状态（称为定态），每一定态，对应一定的能量，叫能级。玻尔认为：各定态的能量是分立的，原子跃迁时只能吸收或辐射相当于二定态能量差的能量。1941年，夫兰克和赫兹使用慢电子与稀薄汞气体的汞原子碰撞而进行一定能量的交换，测量出汞原子的激发电势，从而直接证明了原子能级的存在，清晰地显示了原子能级的图像，为玻尔理论提供依据。夫兰克一赫兹实验成为探索原子结构的一个重要实验。几年来，夫兰克一赫兹实验已作了改进，不用汞原子蒸气而用氩原子气体，在常温下氩是气体，因此实验时不需加热。本实验采用的氩气体。一、实验目的1、学会测量氩原子的第一激发电位的方法。2、了解本实验的设计思想和方法。3、通过本实验，证明原子能级的存在，加深对对夫兰克一赫兹实验原理与原子结构的了解。二、实验原理1、夫兰克一赫兹实验的原理如图一所示。2FCkG41?VpVfVG图一夫兰克一赫兹管原理图本实验使用的夫兰克一赫兹管内充氩原子气体。阴级K加热后发射电子，电子在K与栅极G之间的正向电压Uck的作用下被加速。板极A和栅极G之间的反向电压UAG对电子起阻档作用。当电子通过KG空间进入GA空间时，如果具有较大的能量，就会冲过反4
4 1931 年，尼·玻尔在描绘氢原子光谱规律经验公式的基础上建立了新的原子结构 理论，提出原子只能较长久地停留在一些稳定状态（称为定态），每一定态，对应一定 的能量，叫能级。玻尔认为：各定态的能量是分立的，原子跃迁时只能吸收或辐射相当 于二定态能量差的能量。1941 年，夫兰克和赫兹使用慢电子与稀薄汞气体的汞原子碰 撞而进行一定能量的交换，测量出汞原子的激发电势，从而直接证明了原子能级的存在， 清晰地显示了原子能级的图像，为玻尔理论提供依据。夫兰克—赫兹实验成为探索原子 结构的一个重要实验。几年来，夫兰克—赫兹实验已作了改进，不用汞原子蒸气而用氩 原子气体，在常温下氩是气体，因此实验时不需加热。本实验采用的氩气体。 一、实验目的 1、学会测量氩原子的第一激发电位的方法。 2、了解本实验的设计思想和方法。 3、通过本实验，证明原子能级的存在，加深对对夫兰克—赫兹实验原理与原子结构 的了解。 二、实验原理 1、夫兰克—赫兹实验的原理如图一所示。 图一 夫兰克—赫兹管原理图 本实验使用的夫兰克—赫兹管内充氩原子气体。阴级 K 加热后发射电子，电子在 K 与栅极 G 之间的正向电压 UGK的作用下被加速。板极 A 和栅极 G 之间的反向电压 UAG对电 子起阻档作用。当电子通过 KG 空间进入 GA 空间时，如果具有较大的能量，就会冲过反
向拒电场而达到板极，形成板流，由微电流计I测出。如果电子在KG空间与氩原子碰撞，把自己全部能量给了氩原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就接近零，以致通过栅极后已不足以克服拒斥电场，而被折到栅极。这时，通过电流计I的电流就将显著减少。设电子在KG空间与氩原子碰撞，正好把自己全部能量给了氩原子而使后者激发的电势差是Vi，E和E2表示氩原子基态和第一激发态的能量，则(1)eV,= E2- Ei因此测得V,就可以知道氩原子第一激发态与基态的能量差，V,称做第一激发电势。+ Ip东1UGK.UiU21U3U4Us图二氩原子的IpUGk曲线如果Ucx增大一些，使电子获得的能量eUcx>eVi，电子与氩原子发生碰撞，将部分能量传给氩原子使之激发，碰撞后的电子还剩余部分动能，它在正向作用下仍被加速并继续与原子发生碰撞。如果电子能量达2eVi，它可继续使第二个氩原子同样激发，这时通过I的电流又显著下降。其余类推。图二所示的曲线反映了氩原子在KG空间与电子进行能量交换的情况，当KG空间电压逐渐增加时，电子在KG空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压较低，电子能量较少，即使在运动过程中，它与原子相碰撞也只有微小的能量交换（为弹性碰撞）穿过栅极的电子所形成的板流I将随栅极电压U的增加而增大。（如图二中的oa段）。当KG间的电压达到氩原子的第一激发电位V.时，电子在栅极附近与氩原子相碰撞，将自已从加速电场中获得的能量交给后者，并使后者从基态激发到第一激发
5 向拒斥电场而达到板极，形成板流，由微电流计 IP测出。如果电子在 KG 空间与氩原子 碰撞，把自己全部能量给了氩原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就接近零， 以致通过栅极后已不足以克服拒斥电场，而被折到栅极。这时，通过电流计 IP的电流就 将显著减少。 设电子在 KG 空间与氩原子碰撞，正好把自己全部能量给了氩原子而使后者激发的 电势差是 V1，E1和 E2表示氩原子基态和第一激发态的能量，则 eV1 = E2 - E1 ⑴ 因此测得 V1 就可以知道氩原子第一激发态与基态的能量差，V1 称做第一激发电势。 图二 氩原子的ＩP～ＵＧＫ曲线 如果 UGK增大一些，使电子获得的能量 eUGK>eV1，电子与氩原子发生碰撞，将部分能 量传给氩原子使之激发，碰撞后的电子还剩余部分动能，它在正向作用下仍被加速并继 续与原子发生碰撞。如果电子能量达２eV1，它可继续使第二个氩原子同样激发，这时通 过 IP的电流又显著下降。其余类推。 图二所示的曲线反映了氩原子在 KG 空间与电子进行能量交换的情况，当 KG 空间电 压逐渐增加时，电子在 KG 空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压 较低，电子能量较少，即使在运动过程中，它与原子相碰撞也只有微小的能量交换（为 弹性碰撞）穿过栅极的电子所形成的板流 IP 将随栅极电压ＵGK 的增加而增大。（如图二 中的 oa 段）。当 KG 间的电压达到氩原子的第一激发电位 V1时，电子在栅极附近与氩原 子相碰撞，将自己从加速电场中获得的能量交给后者，并使后者从基态激发到第一激发