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應用物理實驗 版權信息
- ISBN：9787030746771
- 條形碼：9787030746771 ; 978-7-03-074677-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
應用物理實驗 內容簡介
該教材中實驗題目、實驗內容、實驗方法，與現有實驗設備密切相關。特別是在納米粉體的制備、檢測和應用方面和光電技術應用體現了教材內容的鮮明特色。該教材在選材、體系、內容等方面密切結合應用物理學及相關專業的培養方向。
應用物理實驗 目錄
目錄
前言
第1章 近代物理實驗 1
1.1 核磁共振實驗 1
1.2 塞曼效應實驗 13
1.3 黑體輻射 21
1.4 原子光譜實驗 26
1.5 弗蘭克-赫茲實驗 34
1.6 真空技術實驗 38
1.7 硬度測試實驗 43
1.8 電光效應實驗 45
1.9 磁光效應實驗 59
1.10 聲光效應實驗 63
1.11 塔爾博特效應實驗 70
1.12 橢圓偏振光測量薄膜厚度 74
1.13 馬赫-曾德爾干涉儀的調整和使用 80
1.14 特外曼-格林干涉儀的調整和使用 84
1.15 色度儀的調整和使用 88
1.16 偏振現象在3D顯示中的應用探究 93
1.17 全息技術實驗 99
1.18 光信息技術實驗 104
第2章 技術物理實驗 112
2.1 X射線衍射實驗 112
2.2 晶粒大小與晶格畸變的測定 120
2.3 振動樣品磁強計原理與測試實驗 126
2.4 黏度測試實驗 129
2.5 低溫燃燒合成超細粉體實驗 131
2.6 電弧法制備金屬納米粉實驗 134
2.7 蒸發法制備金屬納米粉實驗 137
2.8 高能球磨法制備超細粉實驗 140
2.9 氣流磨法制備微米粉實驗 143
2.10 激光拉曼光譜實驗 146
2.11 紅外光譜分析實驗 152
2.12 硅光電池光照特性的測量與分析 156
2.13 電光、光電轉換傳輸實驗 159
2.14 機器視覺綜合測量實驗 160
2.15 計算機數據光纖傳輸系統實驗 169
2.16 光學器件缺陷的定性檢測 171
2.17 光衰減器的性能指標測量 177
2.18 半導體激光器譜線寬度測量 179
第3章 設計性實驗 186
3.1 SEM原理與樣品測試設計實驗 186
3.2 蒂姆肯機測試潤滑油設計實驗 192
3.3 永磁柱體制備設計實驗 194
3.4 粉體粒度和氧含量測試設計實驗 197
3.5 光學顯微鏡原理與試樣測試設計實驗 199
3.6 相位式激光測距實驗 204
3.7 移相干涉法定量檢測光學器件質量 213
3.8 光纖熔接設計實驗 220
3.9 音頻信號光纖傳輸技術設計實驗 223
3.10 吸收材料電磁參量的測定設計實驗 228
3.11 CMI編譯碼原理及光傳輸實驗 234
前言
第1章 近代物理實驗 1
1.1 核磁共振實驗 1
1.2 塞曼效應實驗 13
1.3 黑體輻射 21
1.4 原子光譜實驗 26
1.5 弗蘭克-赫茲實驗 34
1.6 真空技術實驗 38
1.7 硬度測試實驗 43
1.8 電光效應實驗 45
1.9 磁光效應實驗 59
1.10 聲光效應實驗 63
1.11 塔爾博特效應實驗 70
1.12 橢圓偏振光測量薄膜厚度 74
1.13 馬赫-曾德爾干涉儀的調整和使用 80
1.14 特外曼-格林干涉儀的調整和使用 84
1.15 色度儀的調整和使用 88
1.16 偏振現象在3D顯示中的應用探究 93
1.17 全息技術實驗 99
1.18 光信息技術實驗 104
第2章 技術物理實驗 112
2.1 X射線衍射實驗 112
2.2 晶粒大小與晶格畸變的測定 120
2.3 振動樣品磁強計原理與測試實驗 126
2.4 黏度測試實驗 129
2.5 低溫燃燒合成超細粉體實驗 131
2.6 電弧法制備金屬納米粉實驗 134
2.7 蒸發法制備金屬納米粉實驗 137
2.8 高能球磨法制備超細粉實驗 140
2.9 氣流磨法制備微米粉實驗 143
2.10 激光拉曼光譜實驗 146
2.11 紅外光譜分析實驗 152
2.12 硅光電池光照特性的測量與分析 156
2.13 電光、光電轉換傳輸實驗 159
2.14 機器視覺綜合測量實驗 160
2.15 計算機數據光纖傳輸系統實驗 169
2.16 光學器件缺陷的定性檢測 171
2.17 光衰減器的性能指標測量 177
2.18 半導體激光器譜線寬度測量 179
第3章 設計性實驗 186
3.1 SEM原理與樣品測試設計實驗 186
3.2 蒂姆肯機測試潤滑油設計實驗 192
3.3 永磁柱體制備設計實驗 194
3.4 粉體粒度和氧含量測試設計實驗 197
3.5 光學顯微鏡原理與試樣測試設計實驗 199
3.6 相位式激光測距實驗 204
3.7 移相干涉法定量檢測光學器件質量 213
3.8 光纖熔接設計實驗 220
3.9 音頻信號光纖傳輸技術設計實驗 223
3.10 吸收材料電磁參量的測定設計實驗 228
3.11 CMI編譯碼原理及光傳輸實驗 234
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應用物理實驗 節選
第1章 近代物理實驗 1.1 核磁共振實驗 核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁場中由電磁波引起的共振躍遷現象.1945年，美國哈佛大學的珀塞爾等，報道了他們在石蠟樣品中觀察到質子的核磁共振吸收信號;1946年，美國斯坦福大學的布洛赫等，也報道了他們在水樣品中觀察到質子的核感應信號.兩個研究小組用了稍微不同的方法，幾乎同時在凝聚態物質中發現了核磁共振.因此，布洛赫和珀塞爾榮獲了1952年的諾貝爾物理學獎. 從此以后，許多物理學家進入了這個領域，并取得了豐碩的成果.目前，核磁共振已經廣泛應用到許多科學領域，是物理、化學、生物和醫學研究中的一項重要實驗技術.它是測定原子的核磁矩和研究核結構的直接而又準確的方法，也是精確測量磁場的重要方法之一. [實驗目的] (1)了解核磁共振基本原理; (2)觀察核磁共振穩態吸收信號及尾波信號; (3)用核磁共振法校準恒定磁場; (4)測量g因子. [實驗原理] 下面我們以氫核為主要研究對象，來介紹核磁共振的基本原理和觀測方法.氫核雖然是*簡單的原子核，但它是目前在核磁共振應用中*常見和*有用的核. 一、核磁共振的量子力學描述 1.單個核的磁共振 通常將原子核的總磁矩在其角動量方向上的投影稱為核磁矩，它們之間的關系通常寫成 (1.1.1) 式中，稱為旋磁比;為電子電荷;為質子質量;為朗德因子，對氫核來說. 按照量子力學，原子核角動量的大小由下式決定: (1.1.2) 式中，為普朗克常量;為核的自旋量子數，可以取對氫核來說. 把氫核放入外磁場中，可以取坐標軸方向為的方向.核的角動量在方向上的投影值由下式決定: (1.1.3) 式中，稱為磁量子數，可以取.核磁矩在方向上的投影值為 將它寫為 (1.1.4) 式中，稱為核磁子，是核磁矩的單位. 磁矩為的原子核在恒定磁場中具有的勢能為 任何兩個能級之間的能量差為 (1.1.5) 考慮*簡單的情況，對氫核而言，自旋量子數，所以磁量子數只能取兩個值，即和.磁矩在外場方向上的投影也只能取兩個值，如圖1.1.1(a)所示，與此相對應的能級如圖1.1.1(b)所示. 根據量子力學中的選擇定則，只有的兩個能級之間才能發生躍遷，這兩個躍遷能級之間的能量差為 (1.1.6) 由這個公式可知:相鄰兩個能級之間的能量差與外磁場的大小成正比，磁場越強，則兩個能級分裂越大. 圖1.1.1 氫核能級在磁場中的分裂 如果實驗時外磁場為，在該穩恒磁場區域又疊加一個電磁波作用于氫核，如果電磁波的能量恰好等于這時氫核兩能級的能量差，即 (1.1.7) 則氫核就會吸收電磁波的能量，由的能級躍遷到的能級，這就是核磁共振吸收現象.式(1.1.7)就是核磁共振條件，為了應用上的方便，常寫成 (1.1.8) 2.核磁共振信號的強度 上面討論的是單個的核放在外磁場中的核磁共振理論，但實驗中所用的樣品是大量同類核的集合.如果處于高能級上的核數目與處于低能級上的核數目沒有差別，則在電磁波的激發下，上下能級上的核都要發生躍遷，并且躍遷概率是相等的，吸收能量等于輻射能量，我們就觀察不到任何核磁共振信號.只有當低能級上的原子核數目大于高能級上的原子核數目，吸收能量比輻射能量多，才能觀察到核磁共振信號.在熱平衡狀態下，核數目在兩個能級上的相對分布由玻爾茲曼因子決定 (1.1.9) 式中，為低能級上的核數目，為高能級上的核數目，為上下能級間的能量差，為玻爾茲曼常量，為絕對溫度.當時，上式可以近似寫成 (1.1.10) 上式說明，低能級上的核數目比高能級上的核數目略微多一點.對氫核來說，如果實驗溫度，外磁場，則 或 這說明，在室溫下，每百萬個低能級上的核比高能級上的核大約只多出7個.這就是說，在低能級上參與核磁共振吸收的每一百萬個核中只有7個核的核磁共振吸收未被共振輻射所抵消.所以核磁共振信號非常微弱，檢測如此微弱的信號，需要高質量的接收器. 由式(1.1.10)可以看出，溫度越高，粒子差數越小，對觀察核磁共振信號越不利.外磁場越強，粒子差數越大，越有利于觀察核磁共振信號.一般核磁共振實驗要求磁場強一些，其原因就在這里. 另外，要想觀察到核磁共振信號，僅僅磁場強一些還不夠，磁場在樣品范圍內還應高度均勻，否則磁場再強也觀察不到核磁共振信號.原因之一是，核磁共振信號由式(1.1.7)決定，如果磁場不均勻，則樣品內各部分的共振頻率不同.對于某個頻率的電磁波，將只有少數核參與共振，結果是信號被噪聲所湮沒，難以觀察到核磁共振信號. 二、核磁共振的經典力學描述 以下從經典理論觀點來討論核磁共振問題.把經典理論核矢量模型用于微觀粒子是不嚴格的，但是它對某些問題可以做一定的解釋.數值上不一定正確，但可以給出一個清晰的物理圖像，幫助我們了解問題的實質. 1.單個核的拉莫爾進動 圖1.1.2 陀螺的進動 我們知道，如果陀螺不旋轉，當它的軸線偏離豎直方向時，在重力作用下，它就會倒下來.但是如果陀螺本身做自轉運動，它就不會倒下而是繞著重力方向做進動，如圖1.1.2所示. 由于原子核具有自旋和磁矩，所以它在外磁場中的行為同陀螺在重力場中的行為是完全一樣的.設核的角動量為，磁矩為，外磁場為，由經典理論可知 (1.1.11) 由于，所以有 (1.1.12) 寫成分量的形式則為 (1.1.13) 若設穩恒磁場為，且軸沿方向，即，則上式將變為 (1.1.14) 由此可見，磁矩分量是一個常數，即磁矩在方向上的投影將保持不變.將式(1.1.14)的**式對求導，并把第二式代入有 或 (1.1.15) 這是一個簡諧運動方程，其解為，由式(1.1.14)的**式得到 以代入，有 (1.1.16) 由此可知，核磁矩在穩恒磁場中的運動特點是: 圖1.1.3 磁矩在外磁場中的進動 為磁矩在垂直方向的分量(1)它圍繞外磁場做進動，進動的角頻率為，與和之間的夾角無關; (2)它在平面上的投影是常數; (3)它在外磁場方向上的投影為常數. 其運動圖像如圖1.1.3所示. 現在來研究如果在與垂直的方向上加一個旋轉磁場，且，會出現什么情況.如果這時再在垂直于的平面內加上一個弱的旋轉磁場，的角頻率和轉動方向與磁矩的進動角頻率和進動方向都相同，如圖1.1.4所示.這時，核磁矩除了受到的作用外，還要受到旋轉磁場的影響.也就是說除了要圍繞進動外，還要繞進動.所以，與之間的夾角將發生變化.由核磁矩的勢能 圖1.1.4 轉動坐標系中的磁矩 (1.1.17) 可知，的變化意味著核的能量狀態變化.當值增加時，核要從旋轉磁場中吸收能量，這就是核磁共振.產生共振的條件為 (1.1.18) 這一結論與量子力學得出的結論完全一致. 如果旋轉磁場的轉動角頻率與核磁矩的進動角頻率不相等，即，則角度的變化不顯著.平均說來，角的變化為零.原子核沒有吸收磁場的能量，因此就觀察不到核磁共振信號. 2.布洛赫方程 上面討論的是單個核的核磁共振.但我們在實驗中研究的樣品不是單個核磁矩，而是由這些磁矩構成的磁化強度矢量;另外，我們研究的系統并不是孤立的，而是與周圍物質有一定的相互作用.只有全面考慮了這些問題，才能建立起核磁共振的理論. 因為磁化強度矢量是單位體積內核磁矩的矢量和，所以有 (1.1.19)
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