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[理學(xué)]近代物理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(文件)

2025-09-24 11:32 上一頁面

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【正文】 束光波之間的相位差。典型的全息記錄裝置如圖2所示:從激光器發(fā)出的相干光波被分束鏡分成兩束,一束經(jīng)反射、擴(kuò)束后照在被攝物體上,經(jīng)物體的反射或透射的光再射到感光底片上,這束光稱為物光波;另一束經(jīng)反射、擴(kuò)束后直接照射在感光底片上,這束光稱為參考光波。顯然,全息照片本身和原來物體沒有任何相似之處。此外還有一個(gè)實(shí)像,稱為共軛像。視差效應(yīng)很明顯。當(dāng)然,由于受光面積減少,成像光束的強(qiáng)度要相應(yīng)地減弱;而且由于全息圖變小,邊緣的衍射效應(yīng)增強(qiáng)而必然會(huì)導(dǎo)致像質(zhì)的下降。如前面提到的全息信息存儲(chǔ)和全息干涉分析就是分別應(yīng)用了所述的第三和第四個(gè)特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)用多縱模HeNe激光器, nm,其相干長(zhǎng)度約為20 cm。從布拉格法則可知:條紋寬度,由此公式可以估計(jì)一下條紋的寬度。從公式可知,當(dāng)角減小時(shí),d增加,抗干擾性增強(qiáng)。普通感光底片由于銀化合物的顆粒較粗,每毫米只能記錄幾十至幾百條,不能用來記錄全息照相的細(xì)密干涉條紋,必須采用高分辨率的感光底片(一般采用條紋寬度d的倒數(shù)表示空間頻率或感光材料的分辨率)?!緦?shí)驗(yàn)步驟】(一)全息記錄1. 調(diào)節(jié)防震臺(tái)。2. 打開激光器,參照?qǐng)D2擺好光路,使光路系統(tǒng)滿足下列要求:(1)物光和參考光的光程大致相等;(2)經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)展后的參考光應(yīng)均勻照在整個(gè)底片上,被攝物體各部分也應(yīng)得到較均勻照明??梢韵染毩?xí)一下快門的使用。5. 顯影及定影。顯影定影溫度以20攝氏度最為適宜。改變觀察角度,看到虛像有何不同?通過有小孔的紙片觀察,在不同的部位看到的虛像有無不同?改變參考光束的強(qiáng)弱與遠(yuǎn)近,看到的情況有何不同?2. 物的共軛像-負(fù)1級(jí)衍射光(在0級(jí)光的另一側(cè)),用毛玻璃屏接收物體的共軛像。由于研究這個(gè)效應(yīng),塞曼和洛侖茲共同獲得了1902年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?!緦?shí)驗(yàn)原理】塞曼效應(yīng):在外磁場(chǎng)作用下,由于原子磁矩與磁場(chǎng)相互作用,使原子能級(jí)產(chǎn)生分裂。設(shè)頻率為的譜線是由原子的上能級(jí)躍遷到下能級(jí)所產(chǎn)生的,則磁場(chǎng)中新譜線頻率變?yōu)椋瑒t頻率差為=-==用波數(shù)差表示為==,其中為洛倫茲單位,= 線和線:躍遷時(shí)的選擇定則:,當(dāng)=時(shí),垂直于磁場(chǎng)方向觀察時(shí),產(chǎn)生的振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)的線偏振光叫線;平行于磁場(chǎng)觀察時(shí)線成分不出現(xiàn)。采用加大磁場(chǎng)的方法使某些分量錯(cuò)序,并且正好與相鄰干涉序的另一些分量重疊(即錯(cuò)序觀察法),從而測(cè)得磁場(chǎng)強(qiáng)度?!緦?shí)驗(yàn)儀器】WPZⅢ型塞曼效應(yīng)儀,計(jì)算機(jī)。調(diào)節(jié)FP標(biāo)準(zhǔn)具的鏡片嚴(yán)格平行。精調(diào):在實(shí)驗(yàn)時(shí)仍需進(jìn)一步調(diào)整微調(diào)螺絲,直至在顯示器上觀察時(shí)圖像最清晰為止。打開磁場(chǎng)開關(guān),逐漸加大電流至能看到分裂的九條譜線。此時(shí)在電磁鐵插芯孔前加上波片,使圓偏振光變成線偏振光,旋轉(zhuǎn)偏振片,使分裂的兩條譜線中的一條消失,再反方向旋轉(zhuǎn)偏振片使消失的一條譜線重現(xiàn)而另一條譜線消失了,這樣可以證明分裂的兩條譜線是左、右旋偏振光。利用智能分析軟件可對(duì)譜線進(jìn)行分析,具體使用方法見“附錄“。 CCD的輸出視頻電纜接入電腦主機(jī)視頻輸入端,分別將電源插頭插入電源插座。觀察者的眼睛向著微調(diào)螺絲的方向移動(dòng)時(shí),圓環(huán)也會(huì)移動(dòng),這說明標(biāo)準(zhǔn)具的鏡片還沒嚴(yán)格平行。將筆形汞燈插入兩線圈中間的燈架中,其接線分別接入電磁鐵前的接線柱上。若相鄰兩譜線條子譜線重疊,則在一個(gè)色散范圍內(nèi)只有條子譜線,此時(shí)相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為。 錯(cuò)序觀察法:,其裂距相等為。 能級(jí)分裂原理:原子某一能級(jí)的能量為,在外磁場(chǎng)的作用下,原子會(huì)獲得附加能量= (*)其中為玻爾磁子=;為電子質(zhì)量;為電子電荷;為磁量子數(shù),=,-1,……,-(共2+1個(gè)值);為朗德因子,=由(*)式中可以看出,由于共有(2+1)個(gè)值,所以原子的這個(gè)能級(jí)在外磁場(chǎng)作用下將會(huì)分裂為(2+1)個(gè)能級(jí),相鄰兩能級(jí)間隔為。至今塞曼效應(yīng)仍是研究能級(jí)結(jié)構(gòu)的重要方法之一。1896年荷蘭物理學(xué)家塞曼(Pieter Zeeman)根據(jù)法拉第的想法,探測(cè)磁場(chǎng)對(duì)譜線的影響,發(fā)現(xiàn)鈉雙線在磁場(chǎng)中的分裂。定影后的底片應(yīng)放在清水中沖洗5~10分鐘(長(zhǎng)期保存的底片定影后要沖洗20分鐘以上),晾干。它們由實(shí)驗(yàn)室提供。靜置三分鐘后進(jìn)行曝光。(4)在底片處物光和參考光的光強(qiáng)比約為1:2 ~ 1:6,具體要視情況而定。然后再把鋼板壓上。其極限分辨率為3000條每毫米。還有適當(dāng)縮短曝光時(shí)間,保持環(huán)境安靜都是有利于記錄的??梢姡谟涗洉r(shí)條紋或底片移動(dòng)1 mm,將不能成功地得到全息圖。 一個(gè)穩(wěn)定性較好的防震臺(tái)。全息原理在1948年就已提出,但由于沒有合適的光源而難以實(shí)現(xiàn)。在記錄時(shí)或改變物光與參考光之間的夾角,或改變物體的位置,或改變被攝的物體等等,一一曝光之后再進(jìn)行顯影與定影,再現(xiàn)時(shí)能一一重現(xiàn)各個(gè)不同的圖像。猶如通過小窗口觀察物體那樣,仍能看到物體的全貌。圖3 衍射再現(xiàn)圖示(二)、全息照相的主要特點(diǎn)和應(yīng)用全息照片具有許多有趣的特點(diǎn):片上的花紋與被攝物體無任何相似之處,在相干光束的照射下,物體圖像卻能如實(shí)重現(xiàn)。用一束參考光(在大多數(shù)情況下是與記錄全息圖時(shí)用的參考光波完全相同)照射在全息圖上,就好像在一塊復(fù)雜光柵上發(fā)生衍射,在衍射光波中將包含有原來的物光波,因此當(dāng)觀察者迎著物光波方向觀察時(shí),便可看到物體的再現(xiàn)像。干涉條紋的形狀和疏密反映了物光的位相分布的情況,而條紋明暗的反差反映了物光的振幅,感光底片上將物光的信息都記錄下來了,經(jīng)過顯影、定影處理后,便形成與光柵相似結(jié)構(gòu)的全息圖—全息照片。具體來說,全息照相包括以下兩個(gè)過程:波前的全息記錄利用干涉的方法記錄物體散射的光波在某一個(gè)波前平面上的復(fù)振幅分布,這就是波前的全息記錄。圖1 波前干涉實(shí)物光路圖全息技術(shù)則完全不同,由全息術(shù)所產(chǎn)生的像是完全逼真的立體像(因?yàn)橥瑫r(shí)記錄下了物光的強(qiáng)度分布和位相分布,即全部信息),當(dāng)以不同的角度觀察時(shí),就象觀察一個(gè)真實(shí)的物體一樣,能夠看到像的不同側(cè)面,也能在不同的距離聚焦。(一)、全息照相與全息照相術(shù)在介紹全息照相的基本原理之前,首先看一下全息照相和普通照相有什么區(qū)別。這樣的照相把物光束的振幅和相位兩種信息全部記錄下來,因而稱為全息照相?!緦?shí)驗(yàn)步驟】一;磁場(chǎng)調(diào)節(jié)1:磁場(chǎng)調(diào)至最低2:掃場(chǎng)調(diào)至最大(扭到頭)3:打倒檢波狀態(tài)二:尋找共振點(diǎn)1:信號(hào)源頻率固定 (目的是通過探針內(nèi)面積來改變頻率(用等幅波來調(diào)節(jié))2:檢波指使器上指針控制在(1/23/4)之間,但不一定必須在這區(qū)間3:探針把樣品放在磁場(chǎng)中心位置(大概在90左右)4:緩慢旋轉(zhuǎn)活塞找到共振點(diǎn)(看指示器,找到潛振點(diǎn))5:打倒掃場(chǎng)狀態(tài),加磁場(chǎng)電流增大(—),此時(shí)出現(xiàn)共振信號(hào)三:微調(diào)出現(xiàn)后,輕微調(diào)節(jié)測(cè)微頭,調(diào)節(jié)單路調(diào)配器,樣品在磁場(chǎng)中的位置(微調(diào)活塞一點(diǎn))使信號(hào)最好實(shí)驗(yàn)四 全息照相實(shí)驗(yàn)【目的要求】1. 了解全息照相記錄和再現(xiàn)的基本原理;2. 掌握漫反射全息照片的攝制方法及加深對(duì)全息照片特點(diǎn)的理解。5.選做:實(shí)驗(yàn)測(cè)得地磁場(chǎng)的水平分量地(南北向)。注意觀察掃場(chǎng)信號(hào)大小不同對(duì)數(shù)字萬用表所測(cè)得的螺線管電流讀數(shù)的影響,并解釋其原因。(取與同方向?yàn)檎担?,若地磁?chǎng)的水平分量 地=0,則有 ,所以 3.取掃場(chǎng)用的正弦電壓(交流50周),做為示波器的掃描信號(hào)。 (2)存在掃場(chǎng)信號(hào)時(shí),如何測(cè)定共振頻率所對(duì)應(yīng)的螺線管磁場(chǎng)B。)圖 2—3 電子自旋共振信號(hào) 圖2—4 掃場(chǎng)部分的移相電路六、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(一)測(cè)定DPPH中電子的g因數(shù)(2-10),共振時(shí)有 對(duì)于自由電子。頻率計(jì)用以測(cè)量邊限振蕩器的頻率用示波器觀察電子自旋共振信號(hào)時(shí),X軸掃描信號(hào)可以用示波器的內(nèi)掃描,也可以用掃場(chǎng)信號(hào)。邊限振蕩器的振蕩振幅非常微弱,共振時(shí),樣品吸收射頻場(chǎng)能量,過限振蕩器的振幅將減小。螺線管磁場(chǎng)位于鉛垂方向,樣品置于螺線管磁場(chǎng)軸線的中點(diǎn)位置上,螺線管磁場(chǎng)B的計(jì)算公式如下(見圖2-2) (特斯拉) (2-11)式中n的單位:匝/m的單位:A。對(duì)于晶體樣品可用同晶形的逆磁材料去稀釋順磁性離子。另外由于電子磁矩較大,相當(dāng)于樣品中存在許多小磁體,每個(gè)小磁體除了處在外磁場(chǎng)B之中還處于由其他小磁體所形成的局部磁場(chǎng)B′中。核磁共振發(fā)生在射頻范圍,電子自旋共振則發(fā)生在微波頻率范圍。其分子式為(C6H5)2NNC6H2(NO2)3,結(jié)構(gòu)式為它的一個(gè)氮原子上有一個(gè)未成對(duì)的電子,構(gòu)成有機(jī)自由基。電子自旋共振不能研究上述逆磁性的化合物,它只能研究具有未成對(duì)的電子的特殊化合物,如化學(xué)上的自由基(即分子中具有一個(gè)未成對(duì)的電子的化合物)、過渡金屬離子和稀土元素離子及它們的化合物、同體中的雜質(zhì)和缺陷等。另外在分子和固體中,電子軌道運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量通常是猝滅的,即作一級(jí)近似時(shí)為0。各磁能級(jí)是等距分裂的,兩相鄰磁能級(jí)之間的能量差為 (2-9)當(dāng)垂直于恒定磁場(chǎng)B的平面上同時(shí)存在一個(gè)交變的電磁場(chǎng)B1,且其角頻率滿足條件:,即 (2一10)時(shí),電子在相鄰的磁能級(jí)之間將發(fā)生磁偶極共振躍遷。引入回磁比,即 (2-5)其中 (2-6)在外磁場(chǎng)中,和的空間取向都是量子化的。根據(jù)狄拉克提出的電子的相對(duì)論性波動(dòng)方程——狄拉克方程,電子自旋運(yùn)動(dòng)的量子數(shù)S= l/2,自旋運(yùn)動(dòng)角動(dòng)量與自旋磁矩之 (2-2)其數(shù)值大小分別為 , 比較式(2-2)和(2—1)可知,自旋運(yùn)動(dòng)電子磁矩與角動(dòng)量之間的比值是軌道運(yùn)動(dòng)磁矩與角動(dòng)量之間的比值的二倍。1925年 S.A.Goudsmit與 G.Uhlenbeek利用這個(gè)概念解釋某些光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。(4)用測(cè)量線和選頻放大器測(cè)量和,算出測(cè)量線波導(dǎo)中的微波波長(zhǎng)。圖7 電場(chǎng)沿測(cè)量線分布圖為了提高測(cè)量精度,在確定時(shí),可采用等指示度法測(cè)出最小點(diǎn)對(duì)應(yīng)的(參看圖7),測(cè)出與(略大于)相對(duì)應(yīng)的
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