1、怎樣做好近代物理實驗課程的實驗預(yù)習(xí)周麗霞摘要：簡要說明了近代物理實驗的重要地位和實驗預(yù)習(xí)的重要性。詳細(xì)如何做好近代物理實驗課程的實驗預(yù)習(xí)，預(yù)習(xí)要求、預(yù)習(xí)重點、設(shè)計性實驗的預(yù)習(xí)、預(yù)習(xí)報告的內(nèi)容；并以“光泵磁共振”這一實驗項目為例，具體說明了怎樣做好實驗 預(yù)習(xí)。一、近代物理實驗的重要地位近代物理實驗是高等理工科院校對學(xué)生進行科學(xué)實驗基本訓(xùn)練的必修基礎(chǔ)課本科生接受系統(tǒng)實驗和實驗技能訓(xùn)練的開端。近代物理實驗覆蓋面廣，具有豐富的實驗思想、，同時能提供綜合性很強的基本實驗技能訓(xùn)練，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實驗?zāi)芰?、提高科學(xué)素質(zhì)的重要基礎(chǔ)。在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、活躍的創(chuàng)新意識、理論實際和適應(yīng)科技發(fā)展的綜合應(yīng)用能力

2、等方面，近代物理實驗具有其他實踐類課程不可替代的作用。二、近代物理實驗的預(yù)習(xí)要求與理論課程不同，實驗課程的特點是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下動手，完成實驗任務(wù)。所以實驗預(yù)習(xí)尤其重要。上課時教師要檢查實驗預(yù)習(xí)情況，評定實驗預(yù)習(xí)成績。沒有預(yù)習(xí)的學(xué)生不能做實驗。實驗預(yù)習(xí)的目的是全面認(rèn)識和了解所要做的實驗項目。因此，要求在預(yù)習(xí)時應(yīng)理解實驗原理，了解實驗儀器和實驗，明確實驗任務(wù)，寫出簡單的預(yù)習(xí)報告。1實驗預(yù)習(xí)的重點（1） 明確實驗任務(wù)要明確實驗中需要測量哪些物理量，每個待測量又分別需要什么實驗儀器和采用什么實驗來測量。（2） 清楚實驗原理要理解實驗基本原理。例如，效應(yīng)中研究效應(yīng)用到了 F-P 標(biāo)準(zhǔn)具，其基本原理是

3、多光束等傾，要理解多光束等傾的基本原理，條紋特點，條紋的公式，以及多光束等傾干涉和等傾的圖樣差異等問題。（3） 了解實驗儀器要初步了解實驗儀器，通過預(yù)習(xí)知道需要使用哪些儀器，并對儀器的相關(guān)知識進行初步學(xué)習(xí)， 特別是儀器的結(jié)構(gòu)功能、操作要領(lǐng)、注意事項等。（4） 了解實驗誤差要了解引起實驗誤差的主要因素有哪些，思考在做實驗時應(yīng)當(dāng)怎樣減小誤差。（5） 總結(jié)實驗預(yù)習(xí)要歸納總結(jié)實驗所體現(xiàn)的基本思想，在預(yù)習(xí)過程做了哪些工作，遇到了哪些問題，解決了哪些問題，怎么解決的，還有哪些問題不清楚，等等。總之，實驗預(yù)習(xí)時要認(rèn)真閱讀實驗，積極參考網(wǎng)上實驗學(xué)習(xí)輔導(dǎo)，必要時主動查閱相關(guān)資料，明確實驗?zāi)康暮鸵螅斫鈱嶒炘?/p>

4、，掌握測量方案，初步了解儀器的構(gòu)造原理和使用在此基礎(chǔ)上寫好預(yù)習(xí)報告。，第 1 頁 共 8 頁2設(shè)計性實驗的預(yù)習(xí)設(shè)計性實驗項目除了做好實驗項目的預(yù)習(xí)工作以外，還要做好下列預(yù)習(xí)工作。（1）闡述實驗原理，選擇實驗方案根據(jù)實驗內(nèi)容要求和實驗驗方案。（2）選擇測量儀器、測量中實驗原理的提示，認(rèn)真查閱有關(guān)資料，詳細(xì)寫出實驗和測量條件根據(jù)實驗方案的要求，確定出使用什么樣的實驗儀器、采用什么樣的測量、在什么樣的條件下進量。選擇測量時還要考慮到選用什么樣的數(shù)據(jù)處理。（3）確定實驗過程，擬定實驗步驟明確實驗的整體過程，擬定出詳細(xì)的實驗步驟。三、預(yù)習(xí)報告的主要內(nèi)容1. 實驗名稱2. 實驗?zāi)康?. 實驗原理（必要的計

5、算公式、原理圖、電路圖、光路圖、相關(guān)說明等）4. 實驗內(nèi)容5數(shù)據(jù)表格（這項內(nèi)容特別重要，單獨一頁，設(shè)計出所有需要特別說明：的數(shù)據(jù)的表格。）預(yù)習(xí)報告為預(yù)習(xí)時寫的實驗報告，不一定冠名“預(yù)習(xí)”。如果預(yù)習(xí)實驗報告 14 項寫完整規(guī)范，整齊清晰，可以作為實驗報告的一部分。撰寫實驗報告時可以在此基礎(chǔ)上續(xù)加其他內(nèi)容。四、實驗預(yù)習(xí)舉例下面以“光泵磁共振”這一實驗項目為例，具體說明實驗預(yù)習(xí)的主要內(nèi)容。1實驗預(yù)習(xí)的重點問題首先根據(jù)實驗?zāi)康暮蛯嶒瀮?nèi)容要求，有性地閱讀，重點思考和解決如下問題：如何？（1）銣原子的能級結(jié)構(gòu)如何？處在磁場中能級的（2）什么是光抽運過程？光抽運信號的形狀如何解釋？要想觀察到光抽運信號，水平

6、場、掃場和地磁場水平分量之間的如何？（3）什么是光泵磁共振？要想觀察到光泵磁共振現(xiàn)象，磁場與射頻頻率的如何？（4） 測量銣原子（5） 通過銣原子因子的和公式如何？因子的計算公式明確要測量那些物理量，這些物理量如何測量？（6） 測量地磁場水平分量的（7） 實驗中的數(shù)據(jù)如何和公式如何？公式中的物理量如何測量？和處理？第 2 頁 共 8 頁2預(yù)習(xí)報告正文實驗 B7光泵磁共振【實驗?zāi)康摹?. 觀察銣原子光抽運信號，加深對原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的理解。2. 觀察銣原子的光泵磁共振信號，測定銣原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)子能級的因子。3學(xué)會利用光泵磁共振的測量地磁場。（通過實驗?zāi)康目梢灾辣緦嶒炛幸芯康奈锢磉^光抽運過程和光泵

7、磁共振過程，要提前預(yù)習(xí)什么是光抽運和光泵磁共振，如何獲得兩種過程的信號，如何用光泵磁共振測量銣原子 子和地磁場。)【實驗原理】一. 銣原子基態(tài)和最低激發(fā)態(tài)的能級因天然銣的同位素有兩種：87Rb和 85Rb。銣原子的價LS耦合后其角動量為PJ，并與核自旋角動量PI耦一個更大的角動量 PFPF = PJ + PIPF稱為原子的總角動量，與此角動量相關(guān)的原子總磁矩為（B7-1）em = -gP（B7-2）FFF2me第 3 頁 共 8 頁圖B7-1銣原子能級示意圖其中F (F + 1) + J (J + 1) - I (I + 1)g F = g J（B7-3）2F (F + 1)F為原子總角動量量

8、子數(shù)，F(xiàn)=I+J，I+J1，|IJ|。由F量子數(shù)表征的能級稱為超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級。me是質(zhì)量，e是電量。在有外靜磁場B的情況下，總磁矩將與外磁場相互作用，使原子產(chǎn)生附加的能量eeE = -m B = gP B = gMB = g M m B（B7-4）FFFFFFF B2m2meee其中 m = 9.274 10-24 J T -1 稱為玻爾磁子，M 是PF在外磁場方向上分量的量子數(shù)，MBFF2meF，F(xiàn)，F(xiàn)，F(xiàn)，共有 2F1 個值，即每一個超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級將會產(chǎn)生，相鄰子能級間的能量差為DEM = gF mB BF87Rb 和 85Rb 原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級在磁場中的（從這部分可以知道原子的能級來

9、源于原子核外（B7-5）如圖 B7-1 所示。的軌道和自旋和原子核的自旋，在磁場中的時候能級間隔是與因子和磁場強度成正比的。）二. 圓偏振光對銣原子的激發(fā)與光抽運效應(yīng)用電場矢量繞磁場方向左旋的圓偏振光D1 s + 光照射銣原子時，能級間的躍遷要滿足選擇定則DL = 1； DF = 1，0 ； DMF = 1，0對D1 s + 光的吸收躍遷如圖B7-2 所示。以 87Rb為例，磁場環(huán)境第 4 頁 共 8 頁圖B7-287Rb原子對D1+光的吸收和退激躍遷在D1 s + 光照射下，5S態(tài)中MF=+2 子能級上的原子數(shù)就會越積越多，其余 7 個子能級上的原子數(shù)越來越少，相應(yīng)地，對D1 s + 光的吸

10、收越來越弱，最后，差不多所有的原子都躍遷到了 5S態(tài)的MF=+2 的子能級上，其余 7個子能級上的原子數(shù)少到以至于沒有幾率吸收光，這就是光抽運效應(yīng)。設(shè)置水平場為零，掃場方式選擇“方波”，并使掃場方向與地磁場水平分量方向相反，調(diào)節(jié)掃場幅度，在示波器上可觀察到如圖B7-3 所示的光抽運信號。圖 B7-3 “光抽運”信號與弛豫過程（實驗中是如何讓自然光轉(zhuǎn)換成D1 s + 光的？D1 s + 光照射原子的時候發(fā)生的光抽運的微觀過什么樣的？實驗上又是如何實現(xiàn)對光抽運過程的觀察的？磁場應(yīng)如何設(shè)置？總磁場是什么樣的？）三. 光泵磁共振光抽運過程使銣原子造成偏極化后，如果在垂直于靜磁場B和垂直于光傳播方向上加

11、一射頻振蕩的旋轉(zhuǎn)磁場，并調(diào)節(jié)射頻頻率，使之滿足hn = DEM = gF mB BF（B7-6）87子能級之間將會發(fā)生磁共振（躍遷選擇定則為DMF = 1 ）。以 Rb為例，在射頻場的擾動下，處于MF=+2 子能級上的原子會躍遷到MF=+1 的子能級，MF=+1 能級上的原子會躍遷到MF=0 子能級，MF=0 能級上的原子會躍遷到MF=1 子能級，。如此下去，銣原子在 5S態(tài)的 5 個到幾乎均勻分布。1. 測量gF因子掃場方式選擇“三角波”，并使水平場BDC、掃場BS與地磁場水平分量Be/三者方向相同。調(diào)節(jié)射頻頻率將磁共振信號調(diào)到與三角波掃場的峰值對應(yīng)處，如圖B7-4（a）所示，此時的射頻頻率

12、1 與三子能級又達個磁場的滿足磁共振式hn1 = gF mB (BDC + BS + Be / )光泵磁共振信號（ B7-7 ）光泵磁共振信號(a)(b)第 5 頁 共 8 頁圖B7-4光泵磁共振信號再按動水平場方向開關(guān)，使水平場方向與地磁場水平分量方向相反，調(diào)節(jié)射頻頻率，將磁共振信號條件到如圖B7-4（b）所示波形，此時- hn 2 = gF mB (-BDC + BS + Be / )（B7-8）由（B7-7）、（B7-8）式得= h(n1 +n 2 )g（B7-9）F2m BB DC16pNI=10（T）-7BDC其中（B7-10）53 / 2 r樣品中同時87Rb和 85Rb，所以在示

13、波器上能先后看到兩種原子的光泵磁共振信號，當(dāng)改變射頻信號頻率時二者是交替出現(xiàn)的。兩種原子的gF因子之比為2(2 +1) + 1 (1+ 1) - 3 (1+ 3)22223(3 +1) + 1 (1+ 1) - 5 (1+ 5)gF ( Rb) = g872222 = 3g（B7-11）JJg (85Rb)2 2 (2 +1)2 3 (3 +1)2F因而射頻頻率大的信號對應(yīng)于 87Rb原子，射頻頻率小的信號對應(yīng)于 85Rb原子。（所以如何實現(xiàn)光泵磁共振？示波器上的信號是什么樣的？磁場如何設(shè)置才能避免光抽運信號的出現(xiàn)？如何分辨 87Rb 和 85Rb 的光泵磁共振信號？如何測量2. 測量地磁場因

14、子？要哪些數(shù)據(jù)？）與測量gF因子的類似，先使掃場、水平場與地磁場水平分量三者方向相同，調(diào)節(jié)射頻頻率將磁共振信號調(diào)到與三角波掃場的峰值對應(yīng)處，測得同1（1=1），如圖B7-5（a）所示。此時hn1 = gF mB (BDC + BS + Be / )（B7-12）光泵磁共振信號光泵磁共振信號(b)(a)圖B7-5光泵磁共振信號之后，同時改變掃場以及水平場方向，使其與地磁場水平分量方向相反，調(diào)節(jié)射頻頻率將磁共振信號調(diào)到與三角波掃場的谷值對應(yīng)處，測得2，如圖B7-7（b）所示。此時- hn 2 = gF mB (-BDC - BS+ Be / )（B7-13）第 6 頁 共 8 頁這樣可得地磁場水平

15、分量為= h(n1 -n 2 )B（B7-14）2m ge /B F= 32p NI 10-7 （T）B（B7-15）e53/2 r式中N和r是兩個垂直磁場線圈每邊的線圈匝數(shù)和線圈有效半徑，I是垂直場線圈電流。則地磁場大小為B=B2e / + B2e（B7-16）地（所以如何測量地磁場？要【實驗儀器】哪些數(shù)據(jù)？）實驗系統(tǒng)由主體單元、主電源、輔助源、射頻信號發(fā)生器及示波器五部分組成。圖B7-6主體單元示意圖（要知道主體單元每部分是什么，它們的作用是什么。其他儀器的作用是什么。）【實驗內(nèi)容】（1） 觀察和分析光抽運信號（2） 觀察和分析光泵磁共振信號（3） 利用光泵磁共振測量 87Rb 和 85Rb 的（4） 利用光泵磁共振測量地磁場（根據(jù)實驗內(nèi)容在預(yù)習(xí)報告中逐次寫好要研究的問題、解決辦法、能夠觀察到的現(xiàn)象以及分析