近代物理实验之原子分子物理课件

null《近代物理实验》 原子分子物理部分《近代物理实验》 原子分子物理部分理学院 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 物理研究所 罗剑峰引言引言 物理学是一门试验科学，物理学上的一些结论、定理、假设和猜想要通过试验来验证，然后根据试验现象再对物理学的结论、定理进行完善和修正，因此是一个实践、认识，再实践再认识的一个循环往复的过程。 下面我们将要学习三个试验，这三个试验在量子力学的建立、发展和完善过程中起着十分重要的作用，在物理学的发展史上起着重要的里程碑作用。引言引言 量子概念是1900年普朗克首先提出来的，到今天已经过去了100多年。其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、波恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多大师的创新努力，到20世纪30年代，就已经建立成了一套完整的量子力学理论。这一理论是关于微观世界的理论，和相对论一起构成了现代物理学的基础。这三个试验是：实验1 塞曼效应 实验2 电子自旋共振 实验3 夫兰克-赫兹实验引言引言 让我们重温先辈科学家们的试验历程，学习他们追求真理、勇于创新、勇于拼搏、勇于攀登科学高峰的精神，学习他们在研究过程中所 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现出来的严肃认真和实事求是的优良工作作风！实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验 证实了原子具有磁矩和磁矩在外磁场中的空间取向是量子化的，1902年获得诺贝尔物理学奖。实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验1.1 实验目的 1. 了解塞曼效应实验在近代物理学发展历史上的重要地位。 2. 通过观察汞(Hg)原子546.1nm光谱线在外磁场作用下的塞曼分裂现象，了解量子力学中关于磁致能级分裂的理论。 3. 了解用法布里-珀罗标准具测量微小波长差的方法，并测量电子的荷质比。实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验1.2 塞曼效应 1896年塞曼发现将光源置于足够强的磁场中时，原来的一条谱线分裂成几条谱线，分裂的谱线是偏振的，分裂成的条数随跃迁前后能级的类别而不同，后人称此现象为塞曼效应。 （1）塞曼与洛仑兹。 （2）1892年塞曼开始研究克尔现象，1896年发现塞 曼效应。 （3）塞曼运用“电子论”对塞曼效应的解释。 （4） 洛仑兹的预言及电子荷质比的测量。 （5）反常塞曼效应的发现及电子自旋概念的引入。 实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验1.3 正常塞曼效应和反常塞曼效应 历史上把塞曼发现的可以用洛伦兹的“电子论”解释、各相邻谱线的间隔按波数差计算为一个洛仑兹单位的那三条谱线称之为正常塞曼效应。 而把后来发现的那些多于三条、谱线间隔也不尽相同、不能用洛仑兹的电子论解释的谱线称之为反常塞曼效应。引入电子自旋才能解释反常塞曼效应。实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验 实际上反常塞曼效应才是常见现象，而正常塞曼效应才是罕见现象。人们发现，只有当原子的电子数为偶数，而各电子的自旋恰好互相抵消，总自旋和总自旋磁矩均为0，才会有正常塞曼效应产生。实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验1.4 实验原理 1.光源处于外磁场中导致光谱线发生分裂 原子中电子的运动导致原子具有磁矩，原子磁矩与外磁场的作用引起原子能级的变化： ∆E=mgBB （1-1） 式中m为磁量子数，只能取有限个分立值(m=J,J-1, …,-J)，B=eh/(4 me)=9.274×10-24 J·T-1，称为玻尔磁子，g是朗德因子。实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验 设有一频率为 的光谱线，是由能级E2和E1之间的跃迁所产生，即：h = E2 - E1 。在磁场中上、下能级分裂后所产生的新谱线的频率 与能级的关系为： （1-3） 因此分裂后的谱线与原谱线的频率差为： (1-4)实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验 式(1-4) 两边同除以c，可表示成波数差的形式： 式中： 称为洛仑兹单位，B的单位为T（特斯拉）。 由式(1-5)和(1-6)可以求得电子的荷质比： （1-6） （1-5） （1-7）实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验 本实验研究汞546.1nm谱线的塞曼分裂，该谱线是能级{6s7s}3S1→{6s6s}3P2跃迁的结果。塞曼跃迁的选择定则是：∆m = m2-m1 = 0，±1。由图1-1可以看出，汞546.1nm谱线在磁场中分裂成9条谱线，其中对应 m2g2 - m1g1 = 0 的谱线与原谱线相同，各相邻的分裂谱线波数差是L/2。从左往右分裂后各谱线的波长是逐渐减小的。 123456789实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验 当∆m=0时，产生3条线。沿垂直于磁场方向观测，线为振动方向平行于磁场的线偏振光；沿平行磁场方向观测不到线。 当∆m=±1时，产生6条线。沿垂直于磁场方向观测，线为振动方向垂直于磁场的线偏振光；沿平行磁场方向观测，线为圆偏振光。实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验 2.用法布里-珀罗标准具观察到的实验现象 我们做实验时汞的=546.1nm谱线分裂的波长差约为=0.01nm，要观察和测量这样小的波长差普通的光谱仪（如：棱镜光谱仪、光栅光谱仪）是不能胜任的，必须采用分辨本领高的光谱仪，如法布里-珀罗标准具、迈克尔逊阶梯光栅等，本实验采用法布里-珀罗(F-P)标准具来进行观察和测量。实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验 法布里-珀罗标准具由两块平行的玻璃板及中间夹着的一个间隔圈组成。平面玻璃板内表面的加工精度要求高于1/20波长。内表面镀有高反膜，膜的反射率高于90%，间隔圈用膨胀系数很小的熔融石英材料精加工成一定厚度，用来保证两块玻璃内表面之间精确的平行和稳定的间距。 当单色平行光束S以小角度入射时，经过M平面及M平面的多次反射和透射，分别形成一系列互相平行的反射光束1、2、3、4…及透射光束1、2、3、4…。相邻两束透射光束的光程差为： （1-8）实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验 这一系列相互平行并有一定光程差的光束在无穷远处或会聚透镜的焦平面上发生干涉。当光程差为波长的整数倍时，产生干涉极大值，即： 由式(1-9)可得以下结论： (a) 在波长不变的情况下，同一干涉级次k对应着相同的入射角，形成一个明亮的圆环。 (c) 干涉条纹是由内向外级次逐渐降低的同心圆环。图1-4 实验装置光路图实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验 进一步还可以推导得到以下公式：(1-11) 图2-4 入射角与干涉圆环直径关系 (a) 随着圆环直径的增大，条纹越来越密。 (b) 对于相同的干涉级次k，直径大的干涉圆环对应的入射光波长小。实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验（1）未加偏振片在垂直于磁场方向观察的实验装置图实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验 未加磁场时的干涉圆环：加磁场后在垂直于磁场方向的干涉圆环：所观察到的实验现象：实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验（2）加偏振片后在垂直于磁场方向观察的实验装置图实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验(1)转动偏振片到某个角度三条π线出现，σ线消失：(2)再转过90度π线消失，六条σ线出现：所观察到的实验现象：实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验（3）在平行于磁场方向观察的实验装置图实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验π线是禁戒跃迁的，因此只能看到6条σ线。用1/4波片和偏振片可以证明6条σ线为圆偏振光。1/4波片将圆偏光变为线偏光，并且两线偏光的偏振方向是互相垂直的。因此，当偏振片转到某个角度时，σ-线消，只出现3条σ+线：再转过90度，3条σ-出现，σ+线消失：所观察到的实验现象：实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验 由式(1-11)通过一定的变换，最终可以求得对于同一级次k内的两条谱线a和b的波数差为： 2.用法布里-珀罗标准具测量波数差 将式(1-12)代入到式(1-7)中，得：实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验未加磁场时的干涉圆环加磁场后的干涉圆环实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验化简后最终得测量电子荷质比的公式： (1-13)实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验1.5 实验仪器介绍1.电磁铁：用来产生磁场 2.发光体：低压汞灯，用滤光片选取546.1nm谱线 3.四分之一波片：从平行于磁场方向观察时使用 4.偏振片：用于区分成分与+、-成分 5.聚光镜：将发光体发出的光线会聚到F-P标准具 6.干涉滤光片：安装在F-P标准具内入射端镜面前 7.法布里-珀罗(F-P)标准具： d = 1.76 mm 8.读数望远镜：包含成像(会聚)透镜，分划板(十字 叉丝)及螺旋测微装置，接目镜实验1 塞曼效应实验实验1 塞曼效应实验1.6 实验内容和要求 掌握实验原理和方法，从垂直于磁场和平行于磁场两个方向观察汞的546.1nm谱线的塞曼分裂现象，再从垂直于磁场方向测量分裂谱线的波数差并计算电子的荷质比。提示：(1) d = 1.76 mm (2)  = 546.1 nm实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振 证实了电子具有自旋磁矩和自旋磁矩在外磁场中的空间取向量子化，可获得有关物质微观结构的信息。实验2 电子自旋共振实验实验2 电子自旋共振实验2.1 实验目的 1. 了解“电子自旋”的概念及“电子自旋共振”实验方法在现代科学技术中的广泛应用。 2. 掌握用“扫场法”观察共振跃迁现象的实验设计思想。 3. 测量DPPH中未偶电子的g因子。实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振2.2 电子自旋共振概念及在现代科技中的应用 具有未偶电子的凝聚态(液、固态)物质所产生的自旋磁矩与外磁场的相互作用，导致原子的基态能级分裂成两个塞曼能级，这时如果有一束微波垂直于磁场方向入射在凝聚态物质上，凝聚态物质的原子就有可能吸收微波光子的能量，从能量较低的塞曼能级跃迁到能量较高的塞曼能级，这种现象被称为电子自旋共振。 运用该方法可以探测物质中的未偶电子，研究其与环境的相互作用，从而获得有关物质微观结构的信息。实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振 该方法具有灵敏度和分辨率较高，能深入物质内部进行细致 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 而不破坏样品以及对化学反应无干扰等优点，因此在物理、化学、生物学、医学等领域得到广泛应用。例如，生物体内含有微量的自由基和过度金属离子，绿色植物的光合作用、肿瘤致癌、生命衰老等过程都跟自由基有关，电子自旋共振技术更是在分子水平及细胞水平上研究生物问题不可缺少的工具。 电子自旋的概念是泡利(Pauli)在1924年首先提出来的，但是电子自旋共振现象直到1944年才由苏联喀山大学的扎沃伊斯基(E.K.Зabouchuǔ)在实验中观察到。实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振2.3 具有未偶电子的凝聚态(液、固态)物质可以观察到电子自旋共振现象 只发生在固有磁矩不为0的顺磁材料中。具有未偶电子的凝聚态物质的固有磁矩不为0，且该磁矩是由未偶电子的自旋运动产生的。原因如下： 对于凝聚态物质而言，原子受外部电荷的作用使电子轨道平面发生进动，其轨道角动量量子数L的平均值为零。因此，凝聚态物质的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献。实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振 又根据Pauli不相容原理，一个分子轨道最多只能容纳两个自旋相反的电子。若分子轨道都被电子两两成对地填满了，它们的自旋磁矩相互抵消，便没有固有磁矩，呈现抗磁性。通常大多数化合物就属于这种情况，不是电子自旋共振的研究对象。仅当分子轨道中只有一个电子时（这样的分子轨道可能不只一个）电子自旋磁矩不被抵消，原子才呈现磁性，正是这种未偶(未成对)电子向我们提供了电子自旋共振信息。实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振2.4 怎样理解电子的自旋运动 怎样理解电子的自旋运动？1925年两位年轻的荷兰学生，乌伦贝克和高德斯密提出：电子不是一个质点，它存在一种“内秉的运动”——自旋。自旋假设能够解释试验现象，但很难用经典模型来描绘这种运动。不能简单理解为像陀螺一样绕自身轴转动，如果这样立刻就能发现电子表面上的物质的线速度将大于光速，这当然是荒谬的，称为“内秉的运动”更好些。实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振 (2-1)式中m为磁量子数： m=J，J-1，…，-J (2-2) J为总角动量量子数。这2J+1个等距子能级间的跃迁服2.5 试验原理实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振偶极跃迁选择定则： ∆m=±1。 (2-3) 对于凝聚态物质（固态和液态），理论和实践都证明轨道角动量产生了猝灭 ，轨道角动量量子数L的平均值为0，故：J=S，S为自旋角动量量子数，且：S=1/2，因此：J=1/2。磁量子数m只能取(2J+1=2)两个值： m=±1/2， (2-4) 因此能级只分裂为两个，其能量分别为： 实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振=∆E此时如果有一个频率为的电磁波作用于电子，且满足： h = E (2-7) 的共振条件，原来处于下能级的电子就有可能吸收电磁波的能量跃迁到上能级。这种现象就被称为电子自旋共振。实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振 ∆E很小，共振跃迁所吸收或发射的能量落在微波频段。根据爱因斯坦的辐射理论，两能级之间量子跃迁有受激吸收、受激辐射和自发辐射(概率小可以忽略)。只考虑受激吸收和受激辐射，且两者的跃迁概率相等。 实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振 在热平衡状态下各能级的粒子数服从玻尔兹曼分布：实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振 随着过程的进行，高、低能级的粒子数分布趋于均等N2=N1(平衡态被破坏)，这时系统不再从辐射场中吸收能量，这一现象称为共振饱和。采用在稳恒磁场上叠加一个按正弦规律变化的扫场，可以克服共振饱和现象。 此外，在粒子系统中还存在第三个过程，在这个过程中，粒子从高能级跃迁到低能级释放的能量不是以微波光子的形式发射，而是通过粒子间的自旋-自旋相互作用和自旋-晶格相互作用进行，能量最后转变成热能。实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振2.6 标准样品DPPH的分子结构 本试验的样品为DPPH，化学名称是二苯基苦酸基联氨，其分子式为：(C6H5)2N-NC6H2•(NO2)3，如图3-2所示。其第2个N原子少了一个共价键，有一个未偶电 图2-2 DPPH分子结构图子，是一个稳定的自由基，它在磁场中分裂成两个塞曼能级。本试验要求测量其g值。实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振2.7 朗德因子的物理意义(2-6)在上式中： 按照量子理论，对于LS耦合，朗德因子(针对自由原子与离子)： （1）若原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献，此时：L=0、J=S，则：g=2。 （2）若磁矩完全由电子的轨道磁矩所贡献，此时：S=0、J=L，则：g=1。（3）若自旋和轨道磁矩两者都有贡献，则g的值介乎1与2之间。 因此精确测定g的值便可判断电子运动的影响，从而有助于了解原子的结构。实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振自由电子的g值： 自由电子的轨道角动量完全猝灭，1986年的国际推荐值为：ge=2.002319304386(20)。 试验精确测得的ge值微大于2的原因涉及电子的反常磁矩，这是由于电子还要受到自身所产生的电磁场的作用，这种作用称为自能。对自能的计算要用到量子电动力学理论。实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振凝聚态物质的g因子： 凝聚态（固、液相）顺磁物质中，被研究的原子处于固体晶格或大分子中，g因子的理论处理较为复杂，朗德公式不再适用。 这里的g因子（波谱劈裂因子）与朗德因子既有联系又有区别，它们都和电子自旋磁矩与轨道磁矩的相对贡献有关；但朗德因子仅对自由原子或离子而言，g因子则还和顺磁材料中原子周围的环境有关。2.8 微波电子自旋共振试验原理方框图2.8 微波电子自旋共振试验原理方框图图2-3实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振2.9 样品谐振腔的调谐与微波磁场分布图2-4 TE104模的电磁场结构 实验2 电子自旋共振实验2 电子自旋共振2.10 电子自旋共振与塞曼效应的区别 电子自旋共振研究的同一电子状态(基态)的不同塞曼能级本身之间的跃迁，这种跃迁只发生在相邻的塞曼能级之间。而塞曼效应则研究的是不同电子状态的能级间的跃迁，图2-11说明了这一区别。实验3 夫兰克-赫兹实验实验3 夫兰克-赫兹实验 证实了原子具有分立的能级，1925年获得诺贝尔物理学奖。实验3 夫兰克-赫兹实验实验3 夫兰克-赫兹实验3.1 实验目的 1. 了解夫兰克-赫兹实验在近代物理学发展历史上的重要地位。 2. 通过对夫兰克-赫兹管IP – VG2曲线的测量，证实原子存在分立的能级，加深对玻尔原子结构理论的理解 。 3. 测量氩(Ar)原子的第一激发电位。实验3 夫兰克-赫兹实验实验3 夫兰克-赫兹实验3.2 玻尔的原子理论 1900年普朗克在研究黑体辐射公式时提出了量子的概念。 1910年，卢瑟福提出了原子的“核”模型：原子的中央有一个很小的实心核，电子围绕核运动。实验3 夫兰克-赫兹实验实验3 夫兰克-赫兹实验 1913年玻尔将卢瑟福的原子有核模型和普朗克的量子理论结合起来，提出了玻尔的“原子理论”： 一个重要的物理规律，都必须得到至少两种彼此独立的实验方法的验证，才能被广大科学界所接受。但是玻尔提出的这个“原子理论”还没有得到实验的证实，第一个证实这个理论正确性的实验，就是1914年的夫兰克-赫兹实验。 原子只能较长地停留在一些稳定态，简称定态，其中每一状态对应一定的能量，其数值是彼此分立的。当原子在能级进行跃迁时要吸收或辐射一定频率的光子。用公式表示： h =E2-E1实验3 夫兰克-赫兹实验实验3 夫兰克-赫兹实验3.3 实验原理 假设初速为0的电子在电位差Vg的作用下获得速度vg，若此时电子与原子碰撞时将原子从基态E0激发到第一激发态E1，则有： (1) 式中Vg称为第一激发电位，与第一激发电位相对应电子所具有的能量叫第一激发能。 当加速电压VVg时，电子与原子发生非弹性碰撞，电子的动能转化为原子的内能，使原子激发到更高的能态。实验3 夫兰克-赫兹实验实验3 夫兰克-赫兹实验3.4 早期的夫兰克-赫兹实验 1914年夫兰克和赫兹在研究气体放电现象中用电子碰撞原子的方法，在充汞的放电管中，发现透过汞蒸汽的电子流随电子能量的增加呈现有规律的周期性变化，周期性变化的能量间隔为4.9eV。这就是著名的夫兰克-赫兹实验。 同一年，使用石英制作的充汞管，拍摄到与能量4.9eV相对应的波长值为253.7nm的发射光谱线。null 当电子能量低于某一临界能量时，电子与原子的碰撞是弹性的；而当电子能量达到这一临界能量时，碰撞过程由弹性转变为非弹性，电子把这份特定的能量转移给原子，使之受激；原子退激时，再以特定频率的光量子形式辐射出来。实验3 夫兰克-赫兹实验实验3 夫兰克-赫兹实验 1920年，夫兰克及其合作者对原先的装置做了改进，提高了分辨率，测得了亚稳能级和较高的激发能级，进一步证实了原子内部能量是量子化的，并观察测量到了汞的激发电位和电离电位。 3.5 改进后的夫兰克-赫兹实验实验3 夫兰克-赫兹实验实验3 夫兰克-赫兹实验实验3 夫兰克-赫兹实验实验3 夫兰克-赫兹实验3.6 结论 夫兰克-赫兹实验无可争辩地证明了原子能级的存在，为玻尔在1913年发表的原子理论的假说提供了有力的实验证据，也是证实玻尔量子化能级的第一个决定性试验，为此他们分享了1925年的诺贝尔物理学奖。 玻尔1913年发表的原子理论： 原子只能较长地停留在一些稳定态，简称定态，其中每一状态对应一定的能量，其数值是彼此分立的。当原子在能级进行跃迁时要吸收或辐射一定频率的光子。实验3 夫兰克-赫兹实验实验3 夫兰克-赫兹实验3.7 实验要求 要求测出氩原子的第一激发电位，对实验现象进行观察和分析，绘出氩原子的IP—VG2曲线图。null谢谢大家！