近代物理实验心得

电科09-1   纪桂飞  200920906072

为期一学期的大学物理实验就要画上一个圆满的句号了，回顾这一学期的学习，感觉十分的充实，通过亲自动手，使我进一步了解了物理实验的基本过程和基本方法，为我今后的学习和工作奠定了良好的实验基础。

物理学从本质上说就是一门实验的科学，它以严格的实验事实为基础，也不断的受到实验的检验，可是从中学一直到现在，在物理课程的学习中，我们都普遍注重理论而忽视了实验的重要性。本学期的近代物理实验，向我们展示了在物理学的发展中，人类积累的大量的实验方法以及创造出的各种精密巧妙的仪器设备，让我们开阔了视野，增长了见识，在喟叹先人的聪明才智之余，更激发了我们对未知领域的求知与探索。

比如说，在微波布拉格晶体衍射中，布拉格父子通过衍射现象的探究，找到了衍射束的出角度与内部晶体结构点阵的关系；迈克尔逊通过两束光的波程差是波长的整数倍，出现干涉加强，来测波长长度；还有椭圆偏振仪与计算机结合来测薄膜厚度，不但计算方便，而且还减少了误差；更有全息照相，不仅记录了当时的画面，更能在现人们的眼前等等。都是先人的智慧的结晶，更了解了先人大量的实验方法以及创造出的各种精密巧妙的仪器设备。才能充实我们的大脑，才能让我们更好地去求知与探索未知的领域。

近代物理实验是我们进入大学后受到的又一次系统的实验方法与实验技能的培训，通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，使我们进一步加深了对物理学原理的理解，培养与提高了我们的科学实验能力以及科学实验素养。特别是对于我们这样一批理科的学生，仅有扎实的科学理论知识是远远不够的，科学实验是科学理论的源泉，是自然科学的根本，也是工程技术的基础。一个合格的工程技术人员除了要具备较为深广的理论知识，更要具有较强的实践经验，近代物理实验为我们提供了这样的一个平台，为我们动手能力的培养奠定了坚实的基础。

再比如说，我们在迈克尔逊干涉实验中，通过了解实验背景，使我们更好地理解本实验真谛。背景如下: 迈克尔逊干涉仪,是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。主要用于长度和折射率的测量，若观察到干涉条纹移动一条，便是M2的动臂移动量为λ/2，等效于M1与M2之间的空气膜厚度改变λ/2。在近代物理和近代计量技术中，如在光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米尺等实验中都有着重要的应用。利用该仪器的原理，研制出多种专用干涉仪。

然后我们在阅读近代物理实验书来加深我们实验的印象，特别是读实验原理与步骤，是我们做好实验的基础与根本。不读它，我们能知道是怎样做的，不读它；我们能知道如何做实验，这一步该怎么做，下一步该怎么做；就算你是个天才，会如何测数据，你会整理数据以及算出本实验要得到数据以及如何与理论值

进行比较等等一系列的问题，你能会几个。所以读近代物理实验书是根本。

实验原理与步骤如下：

 在波前进方向上放置一平面法线与波前进方向成45度角的分束板，该极作用将入射波分成两束，一束向A方向传播，一束向B方向传播，到达A,B处有两块金属全反射板两侧波沿入射方向反向返回半透明极，A波束反射波，投射过半透明极部分，与B波束的反射波在半透明极上的反射波部分达到了接收喇叭，于是接收喇叭接收到两束同频率，同振动方向但是有一定相位差的；两束波。此时调B路中B金属极的位置，可改变两束波到达喇叭处时的波程差。从而改变两束波到达喇叭出的位相差。当波程差是波长的整数倍时，位相差为二倍的圆周率的整数倍，则出现干涉加强，接收喇叭相联系的微安表指示有最大值，连续改变B极的位置，可在满足以上条件的位置上出现几个极大值。

实验步骤：

1.      调整发射喇叭与接收喇叭的方位，使喇叭的方向与它连接的固定臂或可移动臂的伸长方向一致，并指向仪器的旋转盘中心。

2.      使发射喇叭与接收喇叭夹角为90度角。

3.      在发射喇叭的波传播方向上垂直放置可移动全反射板。

4.      打开微波发生器直流电流开关。

5.      记录数据并算出数据结果。

步骤完成后，我们就要结果与分析，然后就是实验结论以及参考文献。

下面是结论与心得：

   通过本实验我了解了迈克尔逊干涉的工作原理，对它的测量也有了初步的了解。实验是成功的，但他的成功还有让我学到了如何利用干涉现象测量微波波长的方法。

这就是一个完整的实验，有理有据，有头有尾。由于本试验在操作上并不是很困难，很易于实现，易于成功。

   还有核磁共振实验，通过本实验让我了解其基本原理，以及如何用核磁共振测量磁场强度B。为得到B ，必须具备以下几个必须条件：A、探头与放大器匹配；B、磁场与脉冲射频频率满足共振条件即  称为回旋比，氢的=42.577MHz/T。探头与放大器匹配是指脉冲射频以最大功率加载至探头上，同时探头探测的信号以最大功率输入至放大器上。调节匹配由“开关放大器”背后的可变电容完成(一般情况我们已经调节好，匹配的标志信号为最大噪声，用户不要随意调节)。

为了得到良好的放大器性能我们采用的是固定频率，而是调节磁场强度(间接调节频率)至共振条件。“FD-PNMR-I简易脉冲核磁共振”的“磁场电源”的‘直流调节’可以调节磁场B₀。

还有椭圆偏振仪测量薄膜厚度，通过实验我了解了椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理以及初步掌握了椭圆偏振仪的使用方法，并对薄膜厚度进行测量。试验中操作并不困难，主要是一起可能有时会出点问题，而且击鼓样的强弱又是并不好判断，试验后可以根据测的数据在计算机上直接模拟就可以的出最后答案。虽然存在误差，但那是实验必不可免的，在本实验允许的误差范围内，这次试验还是很成功。

还有光栅光谱，通过本实验我们了解了光栅的原理，掌握多功能光栅光谱仪的使用方法，并通过使用光栅光谱进行了光栅光谱实验，加深了对相关理论的理解与掌握，同时学会饰演的操作方法及数据的处理。而且本实验是在计算机上进行的，相对其他七个实验，本实验相对比较简单。只要在“文件”下拉列表中的“新建”按钮，然后点击“单程”。扫描完毕后，点击“数据的读取”下拉菜单中的“寻峰”可以找出各个光谱线的波长。然后打印扫描的图像就完了。      

全息照相实验，我们了解全息照相的基本原理和特点以及学会拍摄静物漫放射全息图并观察全息图的再现象。

原理如下：

全息照相与普通照相无论是在远离上还是在方发生都有本质的区别。普通照相是用几何光学的方法记录物体上各点的发光强度分部，得到的是二维平面像，像上各点的照度与物体上的各点发光强度一一对应。而全息照相的记录对象是整个物体发出的光波（即物体上各点发出的光波的叠加），借助于参考光用干涉的方法记录这个物光波的振幅和位相（周相）分布，即记录下物光波与参考光波相干后的全部信息。此时，记录信息底片上得到的不是物体的像，而是细密的干涉条纹，就好像一个复杂无比的衍射光栅，必须经过适当的再照明，才能重建原来的无广播，从而再现物体的三维立体像。由于底片上任何一小部分都包含整个物体的信息，因此，只利用拍摄的全息底片的一小部分也能再现整个物像。

1.全息记录

全息照相的光路图如下图所示：

  

用激光光源照射物体，物体因漫反射发出物光波。波场上没一点的振幅和相位都是空间坐标的函数。我们用O表示物光波没一点的复振幅与相位。用同一激光管员经分光板分出的另一部分光直接照射到地板上，这个光波称为参考光波，它的振幅和相位也是空间坐标的函数，其复振幅和位相用R表示，草考光通常为平面或球面波。这样在记录信息的底板上的总光场是物光与参考光的叠加。叠加后的复振幅为O+R，如图从而底板上各点的发光强度分布为

                                                        （式1）

式子中，O*与R*分别是O和R的共轭量；I。，IR分别为物光波和参考光波独立照射底版时的放光强度。

2.物相再现

3.底板经过曝光冲洗后，形成各处透光率不同的全息照片，它相当于一个复杂的光栅。一般来说，光透过这样的全息照片时，振幅以及位相都要发生变化。如果令

t＝透过光的复振幅/入射光的复振幅                     （式2）

则复振幅透过率t一般为复数。但对于平面吸收型全息照片t为实数。如果曝光及冲洗合适，可使得

                        （式3）

物象再现是用光照射已经摄制好的全息照片并观察透过光。这个过程称为波前重现，通常再照光与拍摄全息照片的参考光束R相同，因此，透过的光波的复振幅与位相用W表示，则：

   （式4）

第一项与参考波R成正比，是按一定比例重建的参考波，或者说是直接透过再找光相当于零级衍射波。

第二项与原来的物光成正比，是按一定比例重建的物光波，相当于一级衍射波。这个光波根据惠更斯原理继续传播，与原来物体在原来位置发出的光波相同，仅仅是振幅按一定比例改变，位相改变180度。因此全息照片后面的观察者对这个光波方向观察时，可以看到原来物体的三维立体像。如图所示：

 

第三项与物光波的公轭光波O*有关。它是因衍射而产生的另一个一级衍射波，称为孪生波。这意味着在须向的相反一侧会聚称一个共轭的实像。

微波顺磁共振实验，通过本实验，我们了解电子自旋共振现象，学会用微波频段检测电子自旋共振信号的方法以及测量DPPH中电子的g因子。由于本实验原理和步骤比较繁琐，这个实验是八个实验中比较难的实验之一。主要是无法调节出与《近代物理实验》书中相同的图形，无论我们尝试了多少次，就是无法调节出。最后在老师帮助下才调节出正确图形。然后就是测磁场强度B。算出B的平均值。并带入g=0.67/B之中，得到的g=2.02在g的1.95到2.05之间，说明本实验还是很正确的。

光泵磁共振实验，我们了解了实验的设计思想和塞曼效应以及光抽运所造成的较大分布居数差得原理。并学会了如何操作仪器跳出光抽运信号和共振信号。以及测定同位素铷85，铷87超精细结构的朗德因子。由于本实验原理和步骤比较繁琐，这个实验是八个实验中比较难的实验之一。主要是无法调节出与《近代物理实验》书中相同的图形，无论我们尝试了多少次，就是无法调节出。最后在老师帮助下才调节出正确图形。并记录数据以及算出gF1,gF2,和铷87，铷85的；理论值比较gF，看看误差大不大，打的话，说明本实验存在着较大的误差，说明本实验不成功；反之，试验成功。

 微波布拉格晶体衍射实验，本实验的目的是了解晶体衍射的原理及规律以及测出模拟晶体间距离。原理是当一束波束以Q角度入射到某一原子层面时，一部分波束会被表面的原子层晶面散射，其余的部分也会被于此原子层面相平行的内部各层原子层面散射，在所有的散射的射线中，仅有满足布拉格衍射定律的方向上出射的波束强度有最大值，其关系为2dcosQ=2dsinQ=n*波长。然后按照实验步骤进行实验描绘出图形，找出波峰，一一算出d，然后算出平均值d。和理论值进行比较，误差大则实验不成功，反之成功。

除次之外，近代物理实验使我们认识到了一整套科学缜密的实验方法，对于我开发我们的智力，培养我们分析解决实际问题的能力，有着十分重要的意义，对于我们科学的逻辑思维的形成有着积极的现实意义。

感谢大学物理实验，让我收获了许多。

第二篇：近代物理实验

实验9-3 γ射线的吸收与物质吸收系数的测定

测量物质对γ射线的吸收规律，不仅有助于了解γ射线与物质的相互作用机理，而且，作为一种重要的实验方法，在许多科学领域都发挥着巨大的作用。例如，为了有效地屏蔽γ辐射，需要根据物质对γ射线的吸收规律来选择合适的材料及厚度，反之，利用物质对γ射线的吸收规律可以进行探伤及测厚等。

【实验目的】

1、进一步认识γ射线与物质相互作用的规律。

2、测量不同能量的窄束γ射线在不同物质中的吸收系数。

【实验原理】

γ射线与物质发生作用时，主要有三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应。对于低能γ射线，与物质的作用以光电效应为主，如果γ射线能量接近1MeV，康普顿效应将占主导地位，而当γ射线能量超过1.02MeV时，就有可能产生电子对效应。

准直成平行束的γ射线，通常称为窄束γ射线。单能的窄束γ射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度会减弱，这种现象称为γ射线的吸收。γ射线强度的衰减服从指数规律，即

                   （9-3-1）

其中I₀和I分别是穿过吸收物质前、后的γ射线强度，x是γ射线穿过吸收物质的厚度（单位为㎝），σ_r是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，N是吸收物质单位体积中原子数，μ是吸收物质的线性吸收系数（，单位为㎝^-1）。显然μ的大小反映了吸收物质吸收γ射线能力的大小。

需要注意的是，由于γ射线与吸收物质相互作用的三种效应的截面都是随入射γ射线的能量和吸收物质的原子序数Z而变化，所以线性吸收系数μ是吸收物质的原子序数Z和γ射线能量的函数。

考虑到σ_r是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，那么线性吸收系数μ就可以表示为

                         （9-3-2）

式中、、分别为光电、康普顿、电了对效应的线性吸收系数，且

                           （9-3-3）

从中可以看出线性吸收系数μ与吸收物质的原子序数Z之间的复杂关系。

对于线性吸收系数μ与γ射线能量之间的关系也比较复杂，并且随吸收物质的不同而存在显著差别。图9-3-1给出了铅、锡、铜、铝对γ射线的线性吸收系数μ与γ射线能量之间的关系曲线。

图9-3-1  铅、锡、铜、铝对γ射线的吸收系数和能量的关系

实际工作中常用质量吸收系数表示物质对γ射线的线性吸收系数μ，与μ的关系为

                           （9-3-4）

其中ρ是吸收物质的密度（单位为）。用表示的γ射线强度的指数衰减规律为

                        （9-3-5）

式中的为吸收物质的质量厚度，单位为。因为

             （9-3-6）

其中N_A是阿佛加德罗常数，A是原子量数。所以质量吸收系数与吸收物质的密度及物理状态无关，在实际应用上也就更为方便。

在相同实验条件下，由于某一时刻的计数率n总是与该时刻的γ射线强度I成正比，所以（9-3-5）式也可以表示为

                         （9-3-7）

对两边同时取对数，得

                    （9-3-8）

显然，与具有线性关系，如图9-3-2所示。

图9-3-2  —曲线

有时，物质对γ射线的吸收能力也用“半吸收厚度”表示，它是指使入射的γ射线强度减弱到一半时的吸收物质厚度，记作，在量值上为

                          （9-3-9）

显然，也是吸收物质的原子序数Z和γ射线能量的函数。利用半吸收厚度，可以粗略估计γ射线的能量。

【实验装置与器材】

实验装置如图9-3-3所示，包括¹³⁷Cs和⁶⁰Coγ放射源、NaI（Tl）闪烁探测器、多道脉冲幅度分析器（含多道分析软件，其操作方法请阅读仪器使用说明书）、计算机，以及多个铅吸收片和铝吸收片等。

图9-3-3  γ射线的吸收测量装置

由于实验中采用NaI（Tl）闪烁探测器，配合多道脉冲幅度分析器进行测量，在计算机上显示的是γ射线的全能谱，考虑到本底、计数统计涨落及光标定位不准的影响，所以无法直接准确得到某一能量γ射线在某一时刻的计数率，比较好的解决办法是，在相同实验条件下（放射源与探测器的位置不变，探测器工作电压和放大倍数不变，并保证相同的测量时间），首先获得不同吸收厚度下的γ射线全能谱，然后计算所选光电峰的净面积A（多道分析软件中包含此功能），以此替代前述公式中的n或I。净面积的计算方法有三种，分别是TPA算法、Covell算法和Wasson算法，如图9-3-4所示。这些算法中，TPA算法比较简单，准确度也较高，因此在手工计算时，建议采用这种算法，具体做法请阅读相关资料。

图9-3-4 净面积算法示意图

【实验内容】

1、阅读仪器使用说明，掌握仪器及多道分析软件的使用方法。

2、仪器开机并调整好工作电压（700~750V）和放大倍数后，预热30分钟左右。

3、在多道分析软件中调整预置时间为600s。

4、用一组铝吸收片测量对¹³⁷Cs的γ射线（取0.662MeV光电峰）的吸收曲线，并用最小二法原理拟合求质量吸收系数。根据铝的密度（）求线性吸收系数，与理论值（0.194㎝^-1）比较，求相对不确定度。计算半吸收厚度。

5、用一组铅吸收片测量对¹³⁷Cs的γ射线（取0.662MeV光电峰）的吸收曲线，并用最小二法原理拟合求质量吸收系数。根据铅的密度（）求线性吸收系数，与理论值（1.213㎝^-1）比较，求相对不确定度。计算半吸收厚度。

6、用一组铝吸收片测量对⁶⁰Co的γ射线（取1.17MeV或1.33MeV光电峰）吸收曲线，并用最小二法原理拟合求线性吸收系数、质量吸收系数和半吸收厚度。

【注意事项】

1、当工作指示灯亮时，切勿关闭仪器。

2、领用和归还放射源必须作好登记。

【思考题】

1、如何用本实验的方法测量一定材料的厚度？

2、闪烁体前有一厚度约200 μm的铝质密封窗，试分析其对测量结果有何影响？

3、实验中，是否可以用全谱总计数率代替光电峰的净面积？为什么？

4、根据实验结果，谈谈在辐射的屏蔽防护方面应如何选择材料。

5、根据实验结果分析物质对γ射线的吸收系数与哪些因素有关？

【参考资料】

1、褚圣鳞，原子物理学， 高等教育出版社，1979

2、复旦大学等，原子核物理实验方法（下册），原子能出版社，1982

3、吴泳华等，近代物理实验，安徽教育出版社，1987

4、北京大学等，核物理实验，原子能出版社，1984