篇一：近代物理实验报告
近代物理实验报告
实验名称：电子自旋共振
姓名： 同组者： 指导老师：
得分：
院系：
班级：
日期：
评语：
二、实验原理
实验数据记录表
四、测试结果的计算
1、磁场计算公式
B0=Ko*((uo*No*(R^2)*Io)/(((R^2)+(X^2))^0.5))
式中：
uo--真空中磁导率，uo=4*PI*10E(-7) (亨/米) R--亥姆霍兹线圈半径(米) No--稳恒磁场线圈匝数 Ns--扫场线圈匝数
Io--通过稳恒场线圈的电流(A) Is--通过扫场线圈的电流峰峰值
X--两线圈间距离的一半。对于亥姆霍兹线圈，X=R/2 Ko--磁场线圈系数
2、g因子计算公式
根据共振时的Io 算出磁场后，将所测得的频率及其它常量代入共振表达式
hv=gJ*uB*B
式中：
uB--玻耳磁子，uB=0.9273*10E(-23) (J/T) h--普朗克常数，h=6.626*10E(-34) (J/S)
结果计算记录表
地磁场的计算方法为： 地磁场=（B+ - B-）/ 2
3、误差计算
篇二：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）。
87
?
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
87
85
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
篇三：近代物理实验报告 第三次
第三次近代物理实验
PN结正向压降与温度关系研究 全息光学 迈克尔逊干涉仪
PN结正向压降与温度关系研究
一、实验目的
1.了解PN结正向压降与正向电流的基本关系，测定PN结IF?VF特性曲线及玻尔兹曼常数。 2.测绘PN结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏度及PN结材料的禁带宽度。 3.学会用PN结测量温度的一般方法。
二、实验原理
1.半导体物理学中有PN结正向电流IF与正向电压VF满足如下关系：IF?IS(exp
eVF
?1) kT
E为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。IS为反向饱和电流，是一个与PN结材料禁带宽度和温度有关的系数，不睡电压变化而变化。在常温下exp是有： IF?ISexp
eVF
??1，于kT
eVF
kT
这就是IF?VF关系，如果测得IF?VF关系曲线，则可以求出e/kT，测得温度T后就可以求出玻尔兹曼常数k。 2.PN结禁带宽度的测量
物理学中有如下结论，PN结材料禁带宽度是绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差Vg(0)，二极管反向饱和电流IS有如下关系：
?eVg(0)? IS?CTexp???
kT??
r
r是常数，C是与PN结面积、掺杂浓度有关的常数，取对数后可得：VF?Vg(0)?(ln
k
e
CkT)T?lnTr?VI?VnI IFeC
)T VnI??kTlnTr IFe
其中VI?Vg?(ln
ke
式中有非线性项VnI，可以证明当温度变化范围不大（-50℃~150℃）时，VnI引起的
误差可以忽略不计。因此在恒流供电条件下，PN结的正向压降主要依赖于线性项VI。这一结论仅适用于杂质全部电离，本征激发可以忽略温度区间。如果温度过高或过低，则杂质电离因子减少或本征载流子迅速增加，VF?T关系的非线性变化更加严重，这说明
VF?T特性还与PN结的材料有关。为了消去非线性项的影响，可以令管的两个be结在不
同的电流下供作，得到如下关系： VF1?VF2?
kTIF1
ln
eIF2
根据VF?Vg(0)?(ln
k
e
CkT)T?lnTr?VI?VnI，略去非线性项 IFe
VF(0)
?T?VF(273.2)?S*?T T
可得 Vg?VF(0)?
?T??273.2，为摄氏温标与开尔文温标之差，S为正向压降随温度变化灵敏度。
三、实验结果
玻尔兹曼常数k的测量
将所得数据绘成下图
再用matlab拟合函数可以得到如下表达式：
?8
即： IF?1.02?10exp(0.03806VF)注意这里的单位取值 对比IF?ISexp可以得到
eVF
kT
e
?10?3?0.03806 温度为26.5℃， kT
?23
计算值k?1.4048?10
标准值k?1.3806?10 误差 1.75% 误差分析：1.读数不准确，仪器示数跳动 2.拟合时a的误差较大
?23
禁带宽度Vg的测量
IF?50?A VF?587mV
将所得数据绘图如下
利用MATLAB拟合结果如下：
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