篇一：近代物理实验 实验报告
中国石油大学近代物理实验 实验报告成 班级： 材物二班 姓名： 焦方宇 同组者：杜圣教师：周丽霞 光泵磁共振
【实验目的】
1.观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解
2.观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。 3.学会利用光磁共振的方法测量地磁场 【实验原理】
1．Rb原子基态及最低激发态的能级
在第一激发能级5P与基态5S 之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条谱线，谱线为双线。52P1/2到52S1/2的跃迁产生的谱线为D1 线，波长是794nm；52P1/2 到52S1/2的跃迁产生的谱线为D2 线，波长是780nm。
在核自旋 I = 0 时，原子的价电子L-S 耦合后总角动量PJ与原子总磁矩μJ的关系 μJ=-gJe2 （1）
gJ?1?
J(J?1)?L(L?1)?S(S?1)
2J(J?1) （2）
I≠0时，对87Rb， I = 3/2；对85Rb， I = 5/2。总角动量F= I+J,?,| I-J |。87Rb基态F 有两个值：F = 2 及F = 1；85Rb基态有F = 3 及F = 2。由F 量子数表征的能级称为超精细结构能级。原子总角动量与总磁矩之间的关系为：μF=-gFe2mPF （3）
gF?gJ
F(F?1)?J(J?1)?I(I?1)
2F(F?1) （4）
在磁场中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，磁量子数mF＝F, F-1, ? ,-F，裂成
2F＋1 个能量间隔基本相等的塞曼子能级。
在弱磁场条件下，通过解Rb原子定态薛定锷方程可得能量本征值为
E?E0?
?h
2
[F(F?1)?J(J?1)?I(I?1)]?gFmF?BB （5）
由（5）式可得基态52S1/2的两个超精细能级之间的能量差为
?EF?
ah''
[F(F?1)?F(F?1)] （6） 2
相邻塞曼子能级之间（ΔmF＝±1）的能量差为?EmF?gF?BB0（7）
2. 圆偏振光对Rb原子的激发与光抽运效应
电子在原子能级间发生跃迁时，需要满足总能量和总角动量守恒。一定频率的光可引起能量差为原子能级之间的跃迁（能量守恒）。而当入射光是左旋圆偏振光（角动量为）时，量子力学给出的跃迁定则为 ?L??1,?F?0,?1,?mF??1（角动量守恒）。
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?
当入射光是D1的?光时，Rb的52S1/2态及52P1/2态的磁量子数mF最大值都是+2，
由于只能产生ΔmF =+1 的跃迁，基态mF＝+2 子能级的粒子不能跃迁， 当原子经历无辐射跃迁过程从52P1/2回到52S1/2时，粒子返回到基态各子能级的概率相等，这样经过若干循环之后，基态mF＝+2 的子能级上的粒子数就会大大增加，即大量粒子被“抽运”到基态mF ＝+2 的子能级上，这就是光抽运效应。 3. 弛豫过程
在热平衡状态下， 基态各子能级上的粒子数遵从玻尔兹曼分布N?N0exp(?
E
)（8） kT
由于各子能级能量差极小，可近似认为各能级上的粒子数相等。光抽运使能级之间的粒子数之差大大增加，使系统远远偏离热平衡分布状态。系统由偏离热平衡分布状态趋向热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。本实验涉及的几个主要弛豫过程有以下几种：
1、铷原子与容器器壁的碰撞：导致子能级之间的跃迁，使原子恢复到热平衡分布。 2、铷原子之间的碰撞：导致自旋-自旋交换弛豫，失去偏极化。
3、铷原子与缓冲气体的碰撞：缓冲气体的分子磁矩很小，对原子的偏极化基本没影响。 4. 塞曼子能级间的磁共振
???
垂直于B0的方向所加一圆频率为?1的射频场B1?B1(excos(?1t)?eysin(?1t))，当
h
?1??EmF?gF?FB0（9）时，塞曼子能级之间将发生磁共振。抽运到2?
?
基态mF??2子能级上的大量粒子，由于射频场B1的作用产生感应跃迁，即由mF??2跃
满足共振条件
迁到mF??1。同时由于光抽运的存在，处于mF??2子能级上的粒子又将被抽运到
mF??2子能级上，感应跃迁与光抽运将达到一个新的平衡。在发生磁共振时，由于mF??2子能级上的粒子数比未共振时多，因此对D1??光的吸收增大。
5. 光探测
射到样品泡上D1线的光??一方面起到光抽运作用，另一方面透过样品的光又可以兼作探测光。测量透过样品的D1? 光强的变化即可得到磁共振的信号，实现了磁共振的光探测，巧妙地将一个低频射频光子（1―10MHz）转换为一个光频光子（108 MHz）,使信号功率提高了7－8 个数量级。 【实验仪器】
本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成，见图1.
?
图1 光磁共振实验装置方框图
图2 主体单元示意图
主体如图2所示。光源采用高频无极放电Rb灯，其优点是稳定性好，噪音小，光强大。由于D2线的存在不利于D2线的光抽运，故用透过率大于60%，带宽小于15nm的干涉滤光片就能很好地滤去D2线。用高碘硫酸奎宁偏振片和40微米左右的云母1/4波片可产生左旋偏振光б+，透镜L1可将光源发出的光变为平行光，透镜L2将透过样品泡的平行光汇聚到光电接收器上。 【实验内容】
1．观测光抽运信号：
1）将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，射频信号发生器“幅度调节”调至最小，接通主电源开关和池温开关，约30分钟后，灯温、池温指示灯点亮。
2) 调节“水平场”旋钮，调节水平磁场线圈电流的大小在0.20A以下，将指南针置于吸收池上边，判断水平磁场和地磁场的方向关系，改变水平场的方向，使水平场方向与地磁场水平方向相反，然后将指南针拿开，并且将水平磁场线圈电流调至最小。
3）扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度。再将指南针置于吸收池上边，改变扫场的方
向，设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反，然后将指南针拿开。
4）预置垂直场电流为0.07A，用来抵消地磁场垂直分量，然后调节扫场幅度，使光抽运信号幅度等高。
2．观测光磁共振信号
1）扫场方式选择“三角波”，幅度保持1状态，设置水平磁场方向、扫场方向和地磁场水平分量相同，调节射频信号发生器“幅度调节”旋钮，使射频信号峰峰值在4.5V。在水平场电流分别为0.24A，0.20A和0.18A时，，读出对应的频率ν1。
2）按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平分量和扫场方向相反。仍用上述方法，可得到ν2，则利用公式（7-3-10）可求出gF因子。
3．测量地磁
1）同测gF因子方法类似，先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，测得ν1； 2）再按动扫场及水平场方向开关，使扫场、水平场方向与地磁场水平分量方向相反，又得到ν3。这样由（7-3-14）式可得地磁场水平分量Be//，并根据Be=（B2e//+B2e?）可得到地磁场的大小。
3）垂直磁场由下式计算B??
1/2
32?NI
?10?7 （T）（7-3-15）3/2
5r
式中N和r是两个垂直磁场线圈每边的线圈匝数和线圈有效半径。因为两个垂直场线圈是串联的，数字表显示的I值是流过单个线圈的电流。
表7-3-1 厂家给出的线圈参数
一、 测量gF因子
表1 测量gF数据表
用式（7-3-11）BDC?
h(?1??2)16?NI?7
?10可算出B 可DC ，用式（7-3-10）gF?3/2
5r2?BBDC
算出gF，其中N和r可从表7-3-1中读出。 利用式（7-3-12）可得：
gf(Rb)/gf(Rb)=0.5044/0.3371=1.4997
因此实验数据和结果与理论基本相符。
二、测量地磁场
表2 测量地磁场数据表
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利用式（7-3-15）可得垂直方向上的地磁场的平均强度为：
B??
地磁场的强度大小为：
32?NI5r
?10?7?5.87?10?4(T)
5.8736
六、思考题
1、光抽运的物理过程如何？造成什么后果？ 光抽运的物理过程为：
气态原子受D1??左旋圆偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则?F?0, ±1，?MF??1，进行跃迁
π,只能产生在由5S1/2能级到5P1/2能级的激发跃迁中，由于D1?光子的角动量为?h/2
22?
?MF??1的跃迁。基态MF??2子能级上原子若吸收光子就将跃迁到MF??3的状态，
但5P1/2各自能级最高为MF??2。
因此基态中MF??2子能级上的粒子就不能跃迁。
2
篇二：近代物理实验
色度实验
1. 什么是光谱三刺激值？光谱三刺激值有什么意义？
三刺激值是引起人体视网膜对某种颜色感觉的三种原色的刺激程度之量的表示。
2. 什么是颜色三刺激值？它与光谱三刺激值是什么关系？
3. 测量反射样品和测量透射样品时有何不同？
样品所放的位置不同，测透过率时样品放在出缝1端，而测反射样品时样品放在出缝2
4. 明度、色调、彩度三个概念有何不同？
明度，表示颜色的明亮程度，颜色越亮明度值越大；色调，反映颜色的类别，彩色物体的色调决定于在光照明下反射光的光谱成分；彩度，即颜色的色纯度，彩色所呈现颜色的纯洁程度。
5. 本实验系统是否可作光源颜色特性测量值？如何进行？
可以，直接将光源摄入光栅光谱仪中进行测量。
6. 色度学是如何应用于彩色电视机颜色系统上的？
黑体辐射
1. 实验为何能用溴钨灯进行黑体辐射测量并进行黑体辐射定律定律验证？
溴钨灯的灯丝是钨丝制成的，钨灯丝是一种选择性的辐射体，与标准黑体的辐射光谱有一定的偏差，进行一定修正即可。
2. 实验数据处理为何要对数据进行归一化处理？
将有量纲的数据变成无量纲的相对值，便于进行数据间的比较
3. 实验中使用的光谱分布辐射度与辐射能量密度有何关系？
光谱分布辐射度是单位体积的辐射能量，而辐射能量密度是单位面积的辐射能量。
单光子计数
1. 接受光功率P0与推算入射光功率Pi是否一致？若不一致，试分析其原因所在
2. 阈值是否随温度的改变而改变，为什么？
3. 用阈值方式采集数据确定阈值时，阈值应取那个值，为什么
激光拉曼光谱
1. 如何调节使样品得到最佳照明而得到最佳的谱图？步骤和方法如何？
2. 如何利用偏振元件分别测得 的散射强度谱？
3.
4. 如何根据未知样品的拉曼谱确定其化学成分？
篇三：近代物理实验总结
近代物理实验总结
这学期我们接着上学期学习了近代物理实验二，在这一学期的实验中我们学习了近代物理学实验的重要内容。
事实上，如果说上学期是对近代物理学实验的重点是在对于概念的学习的话，而这学期对近代物理学的学习则侧重于操作上的学习，很多的实验对于学生的操作提出了比较高的要求，比如说隧道显微镜中利用腐蚀法制作探针针尖，要控制针尖到大约一个原子的大小，这就需要控制针尖的形状还有保证针尖不要碰到任何的物体，这对于长期进行理论课学习的我们来说是比较困难，所以事实上制备出完好的探针并且能够利用完好针尖来绘制出完好的原子图像的并不多。还有比较考验操作的是氦氖激光器的最佳放电条件的实验，氦氖激光器的最佳放电条件需要配制氦气和氖气的混合气体，在配置混合气体之前则需要我们保证各个阀门的密闭以防止空气进入影响实验结果，而在实验中我们利用特定的物质对阀门进行密封，然而实际操作的时候并不是想象的那么完美，比如我在操作这个时候就出现了真空度怎么也打不到有效值的情况，后来经过指导教师的指导，我们终于使用排气的方法以保证气体的纯度，而且在开始进行配气操作的时候，由于之前保证真空使用了过多的胶水，直接导致阀门的控制难以使用一只手进行，而一旦两只手操作的话往往顾头不顾腚，当配置的气体开始进入的时候再去调节阀门的时候气体常常已经处于过量的状态了。
除了实验的操作意外，近代物理实验对于我们的知识考验也是十分重要，比如说操作比较简单的多晶体光谱衍射，固体物理知识就十分重要，对于我们认识多晶体以及为什么会出现相应的衍射图像十分有帮助，比如晶面的知识。还有对微波和铁磁共振实验等等。因为近代物理学实验对于知识和实验环境的复杂性，所以很多近代物理实验的操作比较简单，但是这不意味着这些实验的知识储量不足，恰恰相反，近代物理实验的就是因为很多的实验操作是我们知识不足以至于无法确定完成而导致的。如果让学生充分的操作的话，很有可能会造成仪器的损坏，而且近代物理实验很多的实验环境比较危险，比如多晶衍射就会涉及到放射性的物质等等。更何况现成的实验仪器和已经高度数字化的数据处理实际上让我们的实验
任务减轻了不少。比如说多晶衍射的衍射谱线的查询，在没有数据库之前，要是查询实际上的实验谱线需要我们亲自去图书馆找相应的谱线卡片来对比，这样其实很耽误时间，现在我们可以利用互联网来联网数据中心，调出谱线样本以后对比实际上获得的实验数据就可以的到我们的真正的实验得到的内容。
另外，我十分感谢能够在诸位老师以及我的好伙伴吕首然的帮助下，在物理学系的诸位领导的帮助下完成我们这学期的近代物理学实验内容，如今我们在大学学习实验已经有两年多的历史了，现在回想起当年最早开始做实验的时候，我真的是感慨万千，现在我还是慢慢的把我真正的感受以及收获书写下来。
记得当年我刚刚接触大学的实验的时候中，我还只不过是一个懵懂无知的新人，当时对于科研工作的态度其实基本没有什么了解，然而在大家和诸位老师的帮助下，我抓住了这锻炼自己的好机会， 虽然在进行实验的过程中，我和我的小伙伴遇到了很多的困难，面对这些困扰，我不得不利用一切的空余的实验来帮助自己完成自己的实验和实验报告，在这个过程中，我必须再次感谢一下诸位帮助过我完成我的实验的诸位老师，因为种种原因，我常常会做实验做到很晚，而实际上老师也陪我们做实验做到很晚，在有很多科研任务的情况下老师能陪伴我们实验做到很晚确实很不容易，而且还必须面对同学们提出的种种问题。老师的精神让人感动。
完成了我的实验，很快我也要完成我的大学生涯，我再次感谢一切帮助过我的人，让我逐步走出了一个又一个的困境。
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