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应用物理实验 版权信息
- ISBN：9787030746771
- 条形码：9787030746771 ; 978-7-03-074677-1
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
应用物理实验 内容简介
该教材中实验题目、实验内容、实验方法，与现有实验设备密切相关。特别是在纳米粉体的制备、检测和应用方面和光电技术应用体现了教材内容的鲜明特色。该教材在选材、体系、内容等方面密切结合应用物理学及相关专业的培养方向。
应用物理实验 目录
目录
前言
第1章 近代物理实验 1
1.1 核磁共振实验 1
1.2 塞曼效应实验 13
1.3 黑体辐射 21
1.4 原子光谱实验 26
1.5 弗兰克-赫兹实验 34
1.6 真空技术实验 38
1.7 硬度测试实验 43
1.8 电光效应实验 45
1.9 磁光效应实验 59
1.10 声光效应实验 63
1.11 塔尔博特效应实验 70
1.12 椭圆偏振光测量薄膜厚度 74
1.13 马赫-曾德尔干涉仪的调整和使用 80
1.14 特外曼-格林干涉仪的调整和使用 84
1.15 色度仪的调整和使用 88
1.16 偏振现象在3D显示中的应用探究 93
1.17 全息技术实验 99
1.18 光信息技术实验 104
第2章 技术物理实验 112
2.1 X射线衍射实验 112
2.2 晶粒大小与晶格畸变的测定 120
2.3 振动样品磁强计原理与测试实验 126
2.4 黏度测试实验 129
2.5 低温燃烧合成超细粉体实验 131
2.6 电弧法制备金属纳米粉实验 134
2.7 蒸发法制备金属纳米粉实验 137
2.8 高能球磨法制备超细粉实验 140
2.9 气流磨法制备微米粉实验 143
2.10 激光拉曼光谱实验 146
2.11 红外光谱分析实验 152
2.12 硅光电池光照特性的测量与分析 156
2.13 电光、光电转换传输实验 159
2.14 机器视觉综合测量实验 160
2.15 计算机数据光纤传输系统实验 169
2.16 光学器件缺陷的定性检测 171
2.17 光衰减器的性能指标测量 177
2.18 半导体激光器谱线宽度测量 179
第3章 设计性实验 186
3.1 SEM原理与样品测试设计实验 186
3.2 蒂姆肯机测试润滑油设计实验 192
3.3 永磁柱体制备设计实验 194
3.4 粉体粒度和氧含量测试设计实验 197
3.5 光学显微镜原理与试样测试设计实验 199
3.6 相位式激光测距实验 204
3.7 移相干涉法定量检测光学器件质量 213
3.8 光纤熔接设计实验 220
3.9 音频信号光纤传输技术设计实验 223
3.10 吸收材料电磁参量的测定设计实验 228
3.11 CMI编译码原理及光传输实验 234
前言
第1章 近代物理实验 1
1.1 核磁共振实验 1
1.2 塞曼效应实验 13
1.3 黑体辐射 21
1.4 原子光谱实验 26
1.5 弗兰克-赫兹实验 34
1.6 真空技术实验 38
1.7 硬度测试实验 43
1.8 电光效应实验 45
1.9 磁光效应实验 59
1.10 声光效应实验 63
1.11 塔尔博特效应实验 70
1.12 椭圆偏振光测量薄膜厚度 74
1.13 马赫-曾德尔干涉仪的调整和使用 80
1.14 特外曼-格林干涉仪的调整和使用 84
1.15 色度仪的调整和使用 88
1.16 偏振现象在3D显示中的应用探究 93
1.17 全息技术实验 99
1.18 光信息技术实验 104
第2章 技术物理实验 112
2.1 X射线衍射实验 112
2.2 晶粒大小与晶格畸变的测定 120
2.3 振动样品磁强计原理与测试实验 126
2.4 黏度测试实验 129
2.5 低温燃烧合成超细粉体实验 131
2.6 电弧法制备金属纳米粉实验 134
2.7 蒸发法制备金属纳米粉实验 137
2.8 高能球磨法制备超细粉实验 140
2.9 气流磨法制备微米粉实验 143
2.10 激光拉曼光谱实验 146
2.11 红外光谱分析实验 152
2.12 硅光电池光照特性的测量与分析 156
2.13 电光、光电转换传输实验 159
2.14 机器视觉综合测量实验 160
2.15 计算机数据光纤传输系统实验 169
2.16 光学器件缺陷的定性检测 171
2.17 光衰减器的性能指标测量 177
2.18 半导体激光器谱线宽度测量 179
第3章 设计性实验 186
3.1 SEM原理与样品测试设计实验 186
3.2 蒂姆肯机测试润滑油设计实验 192
3.3 永磁柱体制备设计实验 194
3.4 粉体粒度和氧含量测试设计实验 197
3.5 光学显微镜原理与试样测试设计实验 199
3.6 相位式激光测距实验 204
3.7 移相干涉法定量检测光学器件质量 213
3.8 光纤熔接设计实验 220
3.9 音频信号光纤传输技术设计实验 223
3.10 吸收材料电磁参量的测定设计实验 228
3.11 CMI编译码原理及光传输实验 234
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应用物理实验 节选
第1章 近代物理实验 1.1 核磁共振实验 核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象.1945年，美国哈佛大学的珀塞尔等，报道了他们在石蜡样品中观察到质子的核磁共振吸收信号;1946年，美国斯坦福大学的布洛赫等，也报道了他们在水样品中观察到质子的核感应信号.两个研究小组用了稍微不同的方法，几乎同时在凝聚态物质中发现了核磁共振.因此，布洛赫和珀塞尔荣获了1952年的诺贝尔物理学奖. 从此以后，许多物理学家进入了这个领域，并取得了丰硕的成果.目前，核磁共振已经广泛应用到许多科学领域，是物理、化学、生物和医学研究中的一项重要实验技术.它是测定原子的核磁矩和研究核结构的直接而又准确的方法，也是精确测量磁场的重要方法之一. [实验目的] (1)了解核磁共振基本原理; (2)观察核磁共振稳态吸收信号及尾波信号; (3)用核磁共振法校准恒定磁场; (4)测量g因子. [实验原理] 下面我们以氢核为主要研究对象，来介绍核磁共振的基本原理和观测方法.氢核虽然是*简单的原子核，但它是目前在核磁共振应用中*常见和*有用的核. 一、核磁共振的量子力学描述 1.单个核的磁共振 通常将原子核的总磁矩在其角动量方向上的投影称为核磁矩，它们之间的关系通常写成 (1.1.1) 式中，称为旋磁比;为电子电荷;为质子质量;为朗德因子，对氢核来说. 按照量子力学，原子核角动量的大小由下式决定: (1.1.2) 式中，为普朗克常量;为核的自旋量子数，可以取对氢核来说. 把氢核放入外磁场中，可以取坐标轴方向为的方向.核的角动量在方向上的投影值由下式决定: (1.1.3) 式中，称为磁量子数，可以取.核磁矩在方向上的投影值为 将它写为 (1.1.4) 式中，称为核磁子，是核磁矩的单位. 磁矩为的原子核在恒定磁场中具有的势能为 任何两个能级之间的能量差为 (1.1.5) 考虑*简单的情况，对氢核而言，自旋量子数，所以磁量子数只能取两个值，即和.磁矩在外场方向上的投影也只能取两个值，如图1.1.1(a)所示，与此相对应的能级如图1.1.1(b)所示. 根据量子力学中的选择定则，只有的两个能级之间才能发生跃迁，这两个跃迁能级之间的能量差为 (1.1.6) 由这个公式可知:相邻两个能级之间的能量差与外磁场的大小成正比，磁场越强，则两个能级分裂越大. 图1.1.1 氢核能级在磁场中的分裂 如果实验时外磁场为，在该稳恒磁场区域又叠加一个电磁波作用于氢核，如果电磁波的能量恰好等于这时氢核两能级的能量差，即 (1.1.7) 则氢核就会吸收电磁波的能量，由的能级跃迁到的能级，这就是核磁共振吸收现象.式(1.1.7)就是核磁共振条件，为了应用上的方便，常写成 (1.1.8) 2.核磁共振信号的强度 上面讨论的是单个的核放在外磁场中的核磁共振理论，但实验中所用的样品是大量同类核的集合.如果处于高能级上的核数目与处于低能级上的核数目没有差别，则在电磁波的激发下，上下能级上的核都要发生跃迁，并且跃迁概率是相等的，吸收能量等于辐射能量，我们就观察不到任何核磁共振信号.只有当低能级上的原子核数目大于高能级上的原子核数目，吸收能量比辐射能量多，才能观察到核磁共振信号.在热平衡状态下，核数目在两个能级上的相对分布由玻尔兹曼因子决定 (1.1.9) 式中，为低能级上的核数目，为高能级上的核数目，为上下能级间的能量差，为玻尔兹曼常量，为绝对温度.当时，上式可以近似写成 (1.1.10) 上式说明，低能级上的核数目比高能级上的核数目略微多一点.对氢核来说，如果实验温度，外磁场，则 或 这说明，在室温下，每百万个低能级上的核比高能级上的核大约只多出7个.这就是说，在低能级上参与核磁共振吸收的每一百万个核中只有7个核的核磁共振吸收未被共振辐射所抵消.所以核磁共振信号非常微弱，检测如此微弱的信号，需要高质量的接收器. 由式(1.1.10)可以看出，温度越高，粒子差数越小，对观察核磁共振信号越不利.外磁场越强，粒子差数越大，越有利于观察核磁共振信号.一般核磁共振实验要求磁场强一些，其原因就在这里. 另外，要想观察到核磁共振信号，仅仅磁场强一些还不够，磁场在样品范围内还应高度均匀，否则磁场再强也观察不到核磁共振信号.原因之一是，核磁共振信号由式(1.1.7)决定，如果磁场不均匀，则样品内各部分的共振频率不同.对于某个频率的电磁波，将只有少数核参与共振，结果是信号被噪声所湮没，难以观察到核磁共振信号. 二、核磁共振的经典力学描述 以下从经典理论观点来讨论核磁共振问题.把经典理论核矢量模型用于微观粒子是不严格的，但是它对某些问题可以做一定的解释.数值上不一定正确，但可以给出一个清晰的物理图像，帮助我们了解问题的实质. 1.单个核的拉莫尔进动 图1.1.2 陀螺的进动 我们知道，如果陀螺不旋转，当它的轴线偏离竖直方向时，在重力作用下，它就会倒下来.但是如果陀螺本身做自转运动，它就不会倒下而是绕着重力方向做进动，如图1.1.2所示. 由于原子核具有自旋和磁矩，所以它在外磁场中的行为同陀螺在重力场中的行为是完全一样的.设核的角动量为，磁矩为，外磁场为，由经典理论可知 (1.1.11) 由于，所以有 (1.1.12) 写成分量的形式则为 (1.1.13) 若设稳恒磁场为，且轴沿方向，即，则上式将变为 (1.1.14) 由此可见，磁矩分量是一个常数，即磁矩在方向上的投影将保持不变.将式(1.1.14)的**式对求导，并把第二式代入有 或 (1.1.15) 这是一个简谐运动方程，其解为，由式(1.1.14)的**式得到 以代入，有 (1.1.16) 由此可知，核磁矩在稳恒磁场中的运动特点是: 图1.1.3 磁矩在外磁场中的进动 为磁矩在垂直方向的分量(1)它围绕外磁场做进动，进动的角频率为，与和之间的夹角无关; (2)它在平面上的投影是常数; (3)它在外磁场方向上的投影为常数. 其运动图像如图1.1.3所示. 现在来研究如果在与垂直的方向上加一个旋转磁场，且，会出现什么情况.如果这时再在垂直于的平面内加上一个弱的旋转磁场，的角频率和转动方向与磁矩的进动角频率和进动方向都相同，如图1.1.4所示.这时，核磁矩除了受到的作用外，还要受到旋转磁场的影响.也就是说除了要围绕进动外，还要绕进动.所以，与之间的夹角将发生变化.由核磁矩的势能 图1.1.4 转动坐标系中的磁矩 (1.1.17) 可知，的变化意味着核的能量状态变化.当值增加时，核要从旋转磁场中吸收能量，这就是核磁共振.产生共振的条件为 (1.1.18) 这一结论与量子力学得出的结论完全一致. 如果旋转磁场的转动角频率与核磁矩的进动角频率不相等，即，则角度的变化不显著.平均说来，角的变化为零.原子核没有吸收磁场的能量，因此就观察不到核磁共振信号. 2.布洛赫方程 上面讨论的是单个核的核磁共振.但我们在实验中研究的样品不是单个核磁矩，而是由这些磁矩构成的磁化强度矢量;另外，我们研究的系统并不是孤立的，而是与周围物质有一定的相互作用.只有全面考虑了这些问题，才能建立起核磁共振的理论. 因为磁化强度矢量是单位体积内核磁矩的矢量和，所以有 (1.1.19)
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