近代物理实验学习指南.docx

1、近代物理实验学习指南学习指南关于教学团队教学团队中，博士生导师、教授、副教授、讲师的比例分别为 47% 、54% 、 13% 、33% ，高级职称比例达到 67% 。指导教师全部具有博士学位。 80%以上 具有国内其他学校或研究单位学习或科研经历， 70% 以上具有国外学习或工作经 历。教学团队中 41-51 岁年富力强的教师比例为 46% ，31-41 岁 6 的教师的比 例为 47% 。姓名性别出生年月专业技术职务学科专业在本课程中承担的工作韩炜男1968.01教授/博导凝聚态物理凝聚态物理与真空 技术杜晓波男1968.07教授凝聚态物理凝聚态物理姚斌男1962.02教授/ 博导凝聚态物理

2、极端条件物理与技术贺天民男1964.02教授/ 博导凝聚态物理微波与磁共振陆景彬男1969.04教授/博导核物理核物理、X 射线衍射吴金辉男1975 02教授/博导量子光学原子物理、光学苏雪梅女1964.02教授/博导光学原子物理、光学纪媛女1973.04教授/博导凝聚态物理凝聚态物理马玉刚男1967.04副教授核物理核物理、X 射线衍射王刚男1977.12副教授光学原子物理、光学吕伟国男1977.03讲师声学声学杨东男1981.03讲师原子核结构核物理、X 射线衍射李剑男1983.07讲师理论核物理核物理、X 射线衍射崔淬砺女1981.05讲师量子光学原子物理、光学梁桁楠男1983.07讲师

3、高压物理极端条件物理与技术张志杰男1953.10高工磁学磁学、微波实验孙昕男1958.12高级实验师光学光谱、原子物理龙北玉女1962.3高级工程师电子科学真空技术付成伟男1976.8工程师应用物理应用技术、教育技术周亮男工程师应用物理核物理、X 射线衍射孙利静女1970.12.教学秘书文秘教务关于近代物理实验 物理学是一门以实验为基础的科学，近代物理实验在整个物理实验教学中 是重要一环，它处在普通物理实验和专门化实验之间，具有承上启下的作用。13 世纪以前，科学处于黑暗时期， 欧洲政教统治一切。 罗杰尔培根( Reger Bacon1214-1292 )提出“检验前人说法的唯一方法，只有观察

4、和实验”这是科 学需要实验的第一声。随之这个时代出现了哥白尼( 1437-1543 )、开普勒 ( 1571-1630 )、伽利略( 1560-1642 )、吉尔伯特( 1540-1630 )和牛顿 ( 1642-1727 )等著名的科学家，他们通过“敏于观察、勤于思考”的科学方 法，为人类社会的进步作出了杰出贡献。 伽利略所做的著名的单摆实验和斜面实 验为研究力学规律提供了依据， 其用实验研究物理的思想使物理学研究走上了正 确道路。正如爱因斯坦的评价： “伽利略的发现，以及他用的科学推理方法，是 人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端” 。纵观物理学的发展史，从经典物理到近

5、代物理、进而到现代物理，每前进 一步都是以物理实验为基础的， 每一个重大理论的提出和完善都离不开物理实验 的验证。这样的例子比比皆是，大家都很熟悉。经典物理中，在力学方面，库仑 通过摩擦实验提出了摩擦公式； 胡克通过弹性实验总结出弹性定律， 开普勒依据 弟谷布拉赫所积累的大量观测实验资料，把哥白尼的圆轨道改为椭圆轨道得出 了开普勒三定律， 牛顿在实验基础上总结出牛顿三定律， 焦耳通过热功当量实验 证明了能量转化和守恒的普遍规律； 电磁学中的一系列定律， 象库仑定律、 欧姆 定律、安培定律、 法拉第电磁感应定律等等无一不是对实验的总结； 罗兰通过实 验明确了电与磁的联系， 导致了洛仑兹的电子论，

6、 奠定了电学理论的基础。 赫兹 通过电磁波实验，使麦克斯韦的电磁场理论得到了证实。 光学上牛顿的色散实验， 对认识光的本性和建立颜色理论有着深刻的影响，为光谱学的发展开辟了道路。 托马斯杨的双缝干涉实验，为光的波动学说提出了确凿证据。麦克尔逊 - 莫雷实 验动摇了 19 世纪占统治地位的以太假说，为爱因斯坦创立狭义相对论铺平了道 路。在近代物理学的发展中，实验也起了决定性的作用。例如，本世纪初，在归 纳了一些初步实验事实的基础上，曾提出了两种原子结构模型，其一为汤姆逊 ( J.J.Thomson )提出的所谓“西瓜”模型；另一为卢瑟福 (E.Rutherford) 提出 的有核模型。 这两种模

7、型究竟哪一个反映原子结构的真实面貌， 要靠实验结果来 检验。随后，盖革 (H.Gerger) 和马斯登 (E.Marsden) 观察氦原子核在金属铂上的 散射规律，发现存在偏转角度大于 90 。，甚至接近 180 。者。经过分析计算，这 只有在原子中的正电荷是集中在很小的区域内时才有可能， 从而支持了卢瑟福的 有核模型， 否认了认为原子中正电荷是均匀分布在整个原子中的西瓜模型。 这说 明实验是检验理论正确与否的唯一标准。 核物理时代就此开始。 在现代和将来实 验对物理学的作用比以往任何时候都更鲜明和强烈地表现出来， 低温超导现象是 昂纳斯 1911 年研究低温下汞电阻变化情况的实验中发现的。

8、之后迈斯纳在实验 中发现超导的完全抗磁性，为建立超导理论提供了基础。 1986 年柏诺兹和缪勒 通过实验发现某些氧化物陶瓷有可能呈现高临界温度超导性， 于是在 1987 年兴 起了全球性的超导热。我们物理学院的创始人、著名的物理学家、教育家、中科院院士余瑞璜先 生，早在中学时代就偏爱物理学， 从上世纪年代开始， 他在吴有训指导下从 事教学、科研工作， 开始了射线物理学的研究。 他先是自制了一台名叫康普顿 二象小静电仪的仪器，其灵敏度很高。 1929 年中国第一台盖革( Geiger )计数 器，当时国际上也只有德国制成不久。 新仪器制成后， 他立即把它用于近代物理 实验教学和科研工作中。 他用

9、这套仪器测量宇宙线的强度， 以检查计数器的可靠 性。当时他还不了解宇宙线的簇射分布规律， 误以为宇宙线强度是一个定值， 但 是计数器给出的计数表明， 它是随时间变化的。 这使他怀疑自己的仪器不好， 于 是反复修改，半年后仍无任何进展。 经过反复思考， 他开始怀疑是否宇宙线本身 的散射强度不是一个恒定值。 因此改用 1/4 毫克的镭作源， 把一块块铅片盖在上 面，测量不同强度的镭的射线。结果发现，盖革计数器的测量是可靠的。这件 事使他认识到自然界的复杂性， 只有通过踏踏实实的实验才能更好地认识和理解 自然。此后， 他又进行了氩的射线吸收和散射的科学研究。 这项研究的结果以 关于氩的光的吸收和散射

10、简报 为题在 1932 年发表，这是他发表的第一篇 科学论文。这一成果后被康普顿 (Compton) 在光的理论与实验一书中引 用，以说明光的散射系数不同于经典散射系数。 1934 年，经吴有训介绍，他 到了英国曼彻斯特大学，在诺贝尔奖获得者、光结构分析的创始人布喇格 (Bragg) 的指导下，进行光晶体结构分析的研究工作。 他在独立进行 Zn(BrO 3 )2 ?6H 2O 配位式化合物的晶体结构分析中，为了定出氧原子的坐标，创造性地进 行了 Br 原子的傅里叶综合分析，并由此确定了这个化合物的晶体结构。在此过 程中，他使用了摆动光谱仪， 并对该仪器原来的对称树叶转轮进行了改造， 设 计制作

11、了不对称转轮。这两项研究工作都受到了导师的赏识。并由此创立了 X 光晶体结构分析新综合法， 先后在自然 杂志上发表 6 篇在国际上极具影响的 开拓性论文， 1939 年制造出我国第一台连续抽真空 X 射线管， 50 年代初研制 成功医疗用 X 光管，填补了中国在这方面的空白，为中国生产 X 光管打下了基 础。 60 年代初指导研制成功中国第一台细聚焦 X 光机，并对固体与分子的经验 电子论进行了深入研究， 提出了新的固体电子结构模型， 成为国内外固体理论新 的研究领域。英国皇家学会会员、国际晶体学杂志总编威尔逊（ Wilson ）对余先生的工 作给予过很高评价，另一位英国皇家学会会员、曼彻斯特

12、大学教授李普森 （ Lipson ）在 1978 年给余瑞璜的信中说：“你是否知道，战争时期你在自然 上发表的快报开辟了强度统计学的整个科学领域。 ”由于余瑞璜的杰出贡献， 1962 年国际晶体学会出版的 X 射线衍射五十年这一总结晶体学发展史的史 册中有三处提到了先生的名字。 他是唯一被载入该史册的中国人。 该书的总编辑 厄瓦耳（ Ewald ）在书中赞扬余瑞璜是世界上第一流的晶体学家。他为祖国争了 光，成为国际上知名的物理学家。当今社会令人注目的纳米材料与纳米技术，是 1984 年德国萨尔大学的 Gleiter 教授等人首次在实验室采用惰性气体凝聚法制备出了具有洁净表面的纳 米粒子，然后在

13、真空室中原位加压成纳米固体， 并提出了纳米材料界面结构模型。 1985 年， 日本的 Kroto 等采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇。 质谱分析发现 C60 和 C70 的新的谱线，而 C60 具有高稳定性的新奇结构， 即由60 个碳原子组成封闭的足球型，它是由 32 面体构成，其中 20 个六边形和 12 个 5 边形。这种结构与常规的碳的同素异构体金刚石结构和石墨层状结构完全不 同。而且物理性质也很奇特。纯 C60 固体是绝缘体，用碱金属掺杂之后就成为导 体，适当的掺杂成分可以使 C60成为超导体。 同时，C60固体在低温下呈铁磁性。 C60 研究热潮立即应运而来， 1990 年

14、 7 月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳 米科学技术学术会议， 纳米材料学作为一个相对比较独立的学科从此诞生了， 很 快形成了世界性的“纳米热” 。据统计， 1901-1994 年间获得诺贝尔物理学奖的 144 中，理论获奖人数是 46 人，占31.9% ，实验获奖人数是 98 人， 占68.1% 。 但在 1981-1994 年间获奖的 29 人中，理论仅 4 人，占 13.8% ，实验有 25 人， 占 86.2% 。这些数字反映出实验物理在整个物理学发展过程中的作用。我们国 家迄今为止还没有获得诺贝尔物理学奖， 在很大程度上与物理实验技术、 实验手 段、实验水平以及实验人才的落后和缺乏有

15、关。当然，我们决不是贬低理论工作的重要性，相反，创新的理论思想往往能 使一门学科发生变革甚至是科学革命， 理论指导实验， 新的实验现象需要理论来 解释、归纳、总结；实验验证理论，任何成功的理论都应该建立在坚实的实验基 础上，而不是漂泊在任何信念的冰山上。 实验还可以促进理论的进一步完善和发 展，完善的理论反过来使技术更先进更完备， ，二者相辅相成，相互促进，共同 发展。我们都引以为自豪的华裔诺贝尔物理学奖获得者李政道和杨振宁博士的工 作就是一个鲜活的例子， 1956 年夏天，他们针对当时理论无法解释的“ - ” 疑难问题，提出了“在弱相互作用下宇称可能不守恒”的假定，与此同时，他们 还建议可以

16、用衰变等实验来证实或否定他们的推测。几个月后，哥伦比亚大学 美籍华裔吴建雄教授和美国华盛顿国家标准局的四位物理工作者，用钴 60 的衰 变证实了在这种衰变过程中宇称确实不守恒。于是，在弱相互作用下的宇称守 恒原理被推翻了。 正是由于这一震惊世界物理学界的杰出贡献， 李政道和杨振宁 共同获得了 1957 年度诺贝尔物理学奖。同年， 也是由于这一贡献而获得爱因斯 坦科学奖。近代物理实验是一门综合性较强的实验课程，除包括物理学发展史上堪称 里程碑的著名物理实验外， 还包括近代的实验方法及应用广泛的实验技术和实验 仪器设备。 通过近代物理实验教学， 培养学生用实验的方法研究物理现象与物理 规律的习惯，

17、 同时培养学生在科学实验中发现问题与解决问题的能力、 严谨的科 学态度及认真踏实的工作作风等优良素质， 为进一步的学习与工作打下坚实的基 础。关于近代物理实验学习方法 近代物理实验课程的教学内容和方法，具有不同于普通物理实验的特点。 普通物理实验内容相对单一， 多为验证性实验， 证实某一定律或公式， 仪器设备 简单。而近代物理实验内容涉及范围广， 要求的预备知识面宽， 学生自行设计实 验方案的比例增加，所涉及的仪器数量多、大型仪器多、结构复杂等，使这门课 程在实验教学中具有重要地位。实验室情况介绍近代物理实验现在位于南校区新理化实验楼的 6 、7 楼，实验条件较以前大 大改善。现设如下单元实验

18、室，分别核物理和 X 光技术、光学光谱技术、是微 波磁共振技术、真空技术、凝聚态物理、声学。实验题目设置、内容与时间表一共开设 12 个基本实验题目，每单元开设 2-3 个实验，每个同学可选其中 的 2 个。每个学生每周一次，每次 6 学时。单元实验项目内容提要类型学时核物理与 X 射线 衍射 技术G-M 计数器及核 衰变的统计规律用 G-M 计数器测量 90Sr 的辐射，验证核衰变的泊松统计分布基本6闪烁计数器测能谱用 NaI 闪烁谱仪测量射线能谱，鉴定 谱仪的能量分辨率和线性基本6相对论效应同时测量快速电子的动量和能量， 验证相对论效应研究24特征 x 射线谱与 吸收熟悉特征 X 射线的产

19、生原理及在探测元素种类中的作用研究24X 射线衍射物相 分析学习使用多晶衍射仪操作过程， 测定晶 胞参数方法；学习利用国际标准粉末 PDF 卡进行物相定性分析过程。基本6原子 物理 与光 谱技 术磁场塞曼效应用 F-P 标准具测量谱线在磁场中分裂基本6氢氘原子光谱测定 H-D 巴尔末系原子光谱线及 H-D质量比基本6光磁双共振通过观察 Rb 原子特定能级间粒子抽运 过程，了解光抽运技术， 实现磁共振测 量基本6Na 原子光谱通过测定 Na 原子光谱各线系谱线波长，计算量子亏损研究24光学非稳、混沌通过晶体电光调制的原理和实验方法，研究24振荡和控制实现光学双稳、 非稳、混沌及动力学存储过程晶体

20、电光调制和 光学双稳掌握晶体电光调制的原理和实验方法，学习光学双稳的基本原理和实现方法。研究24微波与磁共振反射速调管的工作特性了解和掌握速调管的工作原理和测量方法基本6微波的传输和检 测掌握微波波导传输特性的测量方法基本6核磁共振了解核磁共振原理及精确测量磁场的方法基本6电子顺磁共振通过观察 CuSO 4?H2 O 单晶体 EPR 谱 线的各向异性， 熟悉高频小调场相敏检 波式 EPR 谱仪的结构和使用方法研究24流水式核磁共振了解流水式核磁共振原理及测量弱磁场的方法研究24真空技术真空的获得与测 量了解真空获得、 测量的基本方法， 了解真空泵、真空计的工作原理基本6气体放电等离子体研究了解

21、等离子体的产生原理， 掌握采用静电探针法测定气体等离子体杜电子温度和电子密度基本6磁控溅射薄膜制 备通过制备 ZnO 半导体膜研究24声学声源定位及 GPS 模拟了解声源定位和 GPS 模拟的原理基本6超声空化实验研 究了解超声空化的概念，溶液中微气泡半衰期，化气泡的因素。学会计算丙三醇了解影响溶液空基本6固体介质声学参 数测量及频谱分 析了解压电效应当应用声波方发生和接收电声转换和超研究24凝聚纳米晶制备及表 征了解纳米材料的物理和化学特性， 掌握纳米材料性质的表征测量和表征方法。研究24态物振动样品磁强计掌握振动样品磁强计原理和使用方法研究24理扫描电子显微镜掌握扫描电镜和 X 射线能谱仪

22、的原理、使用和样品的制备方法研究24实验要求课内外预习相结合。按照实验循环表对要做的实验认真看讲义、参考书，有 意识地培养独立学习能力， 学生进行实验之前， 一定要清楚地了解要做什么、 应 怎么做、为什么要这样做以及预计应得到什么结果等， 这样的训练对今后工作会 大有好处的。要逐步学会自行查阅文献、选择实验方案，选择实验仪器，写好预 习报告，预习报告不需要写成实验报告一样，要解决做什么、怎么做的问题，拟 出实验方案。根据实验原理和实验内容主要写出原理中的公式（要测的量） 、列 出必要的数据表格、操作步骤及注意事项。我的实验讲义不是十分完善，而且部分实验进行了改进，甚至装置改变了。 进行实验时，

23、学生不应依赖教师把仪器完全准备好， 进实验室后， 看实验卡片及 实验说明书，结合具体实验仪器，修改完善实验方案，要主动向老师提问，搞清 实验原理、装置、仪器性能、使用方法及注意事项。经教师检查、提问、讲解、 讨论达到要求才能做实验。 预习时不许摆弄仪器， 随便转动旋钮， 例如光学光阑 狭缝一定不能动，开机时一定要经过教师或实验技术人员允许。合作关系由于近代物理实验的特点， 几乎每一个都需要两个同学一起做。 我们这里要 强调合作精神， 对今后大家到工作岗位上与人合作有好处。 两个人应当团结合作 做好实验，都要动手，不要搞专门分工，实验记录要每人一份。操作要求严格遵守实验操作规程， 不按操作规程操

24、作损坏仪器要赔偿。 实验中独立思 考、相互配合、认真观察分析实验现象，及时做好实验记录。 应当禁止将测量 结果记录在活页本或零散的纸上。盖革跟卢瑟福工作时，曾发生过这样一件事， 卢瑟福正在读硫华锌上的闪烁记数， 他坐在一旁， 卢瑟福让他把读出的数目立刻 记下来，但不幸的是工作记录本不在手边， 卢瑟福就对他大叫 “写在你的袖子上！” 这件事使盖革记忆犹新，常常作为反面例子告诫他人。实验数据必须经过教师检查签字，不合格者重新测量。实验结束后，整理好仪器（尤其放射源一定要按照要求放回原处） ，主动搞 好实验室卫生，经教师同意方可离开实验室。安全规则近代物理实验的安全规则十分重要， 在此我们特别加以强

25、调。近代物理实 验中要涉及高能、高压、高温及低温、低气压（真空） 、激光、化学等方面，必 须注意实验规则， 严格按照实验规程操作， 以保证实验顺利进行， 同时也要保证 人身和仪器设备安全。 尤其是我们实验室的多数设备只有一套， 如果因操作不当 造成损坏，不仅影响自己， 还会耽误其他同学的实验进程。 这里只介绍实验必须 遵守的公共规则，各实验室还会有具体规则，务请遵守。电 实验室有各种电压电源，不能混接。除最常用直流稳压源、交流 220V 和 380V 外，还有象 X 光管、激光管、放电管、微波源等使用的几千甚至上万伏的高压 电源，使用时要特别注意。要先检查所用电源与仪器设备要求的额定电压是否相

26、符 （如直流、 交流、低 压、高压、正负极等等） ；通电前应先接好负载，并通过开关控制电源通断；接通高压电源开关时 单手操作；注意地线要接好。放射性 核物理实验中要使用放射性同位素，这些天然或人工的放射性辐射，能 引起身体内细胞损伤， 因此应引起足够重视。 但是也不能过分恐惧， 我们使用的 放射性同位素活性比较弱， 正常情况下人所接受的剂量是很有限的， 不会对人体 造成伤害。但要养成良好习惯，一定要严格遵守操作规程，避免发生事故。放射源放在专门库中，使用后应及时放回；取拿放射源应使用专用夹物钳或长柄镊， 放射源应尽量远离眼睛， 不要用手 直接接触放射源；不得在放射源附近进食或饮水， 由于我们实

27、验时间长， 有的同学饿， 特别是 女生，吃零食；实验结束后要洗手。电磁辐射 在 X 射线、激光、电子衍射、气体放电、微波以及其他超过 15KV 的 有关实验中，都可能产生 X 射线或其它波长的电磁辐射，过量照射会使皮肤灼 伤并会产生其它效应，特别是 X 射线和激光，即使是较低强度的辐射也将对人 体，尤其是对眼睛视网膜造成损害，从而使视力减弱甚至失明实验前应测量 X 射线、激光及微波等的可能辐射范围，以便屏蔽和避开； 在人体受 X 射线可能照射的较强部位，应加强防护； 注意眼睛千万不能直视激光束， 即使是从其它光滑表面反射的激光束也要避 开。真空和高、低温 真空和高、低温实验经常使用真空器皿、汞

28、、液氮等。在器皿 损坏或操作失误时，可能抛出碎片、汞滴、液氮，使人体遭受损伤。玻璃扩散泵在工作时，切不可有冷水等突然溅射到泵底“油锅”处； 盛汞容器必须加盖（或加油、水等）封严，并放在阴凉处，不可敞口存放和 让汞滴散落地上。 如果汞滴已散落地上， 要用硫磺粉掩盖， 也可用多硫化钙处理， 使汞变成硫化物。由仪器中逸出的汞蒸汽，可用溴和碘处理后的活性炭吸收。装灌液氮时，应戴安全手套；每次新灌液氮的容器，应先灌少量液氮预冷， 然后再慢慢将液氮灌满。报告要求 （参考科研论文形式写实验报告） 使用实验报告本，预习报告必须写在实验报告本上，不许耍单篇。 报告内容：目的，原理（基本公式） ，装置图，数据表格

29、，数据 处理，讨论（结果，及现象分析） ，参考文献。（鼓励学生结合内容、实验结 果讨论引用参考文献）不准抄袭报告，抄袭、雷同报告取消双方成绩。按时交实验报告，不按时交 报告者酌情扣实验成绩。纪律要求签到制度。进实验室应在登记簿上签到，注明姓名、分组号、专业，迟到、早退、中途溜号者 30 分钟以内批评教育，酌情扣实验成绩。迟到时间超过 30分钟者不允许进入实验室，早退超过 30 分钟者按旷课处理。请假制度。事假须学工办出据假条，病假须有医院证明。不准随意串课， 特殊情况事先和任课老师商量。 不准乱窜其他实验室， 严禁喧哗、打闹，如有此现象发生酌情扣实验成绩。替做实验现象应杜绝，如有发生，双方取消成绩和补做资格。成绩评定按平时成绩和期末考试成绩综合评定。平时成绩评定按：预习：操作：报告 3： 4： 3成绩等级评定：A+ (100),A(95),A -(90),B +(85),B(80),C +(75),C(70),D +(65),D(60),E(60 分以下) 期末考试成绩按百分制记分。最终成绩按平时成绩占 60 ，期末考试占 40 。对平时实验有创新意识、创新思想，动手能力强的同学，成绩从优