近代物理实验复习

近代物理实验1.1弗兰克-赫兹实验
1.手动模式和自动模式测量F-H曲线的方法
2.计算氩原子第一激发电位的方法
3.能否用氢气代替氩气做弗兰克赫兹实验,为什么?
不能.氢气是双原子分子,激发的能级是分子能级而非原子能级.氢气是危险气体,容易发生爆炸,而且氢气的密度比较小.
4.为什么I-U曲线不是从原点开始?
电子由热阴极发出,刚开始加速电压主要用于消除阴极电子的散射的影响,后来电子加速,使其具有了较大的能量冲过反向拒斥电场而到达板极形成电流,并为微电流计所检验出来,故曲线不是从原点开始的.
5.为什么I不会降到零?
随着第二栅极电压的不断增加,电子的能量也随之增加,在与氩原子相碰撞后还留下足够的能量,可以克服反向拒斥电场到达板极,这时电流又开始上升,不致下降到零.
6.为什么I的下降不是陡然的?
因为K极发出的热电子能量是服从麦克斯韦统计分布规律,因此极电流下降不是陡然的.
7.在F-H实验中,得到的I-U曲线为什么呈周期性变化?
当G2k间的电压达到氩原子的第一激发电位U0时电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞,将自己从加速电场中获得的全部能量给了氩原子,即使穿过了第二栅极也不能克服反向拒斥电场而被驳回第二栅极,所以,板极电流将显著减小.随着第二栅极电压的不断增加,电子的能量也随之增加,在与氩原子碰撞后还留下足够的能量,可以克服反向拒斥电场而达到板极A,这时电流又开始上升,直到G2K 间的电压是二倍的第一激发电位时,电子在UG2k间又会因第二次碰撞而失去能量,因而又会造成第二次板极电流的下降,同理,凡UG2k之间电压满足:UG2k=nU0(n=1,2,3...)时,板极电流IA都会相应下跌,形成规则起伏变化的I-U曲线.
8.在F-H管内为什么要在板级和栅极之间加反向拒斥电压?
这样能保证阴极发射的热电子不会轻易到达阳极,只有穿过栅极并且动能足够大的电子才能克服这个电场到达阳极。

如果没有这个排斥电压,一个电子只要稍微有动能就能到达阳极,这样也能观察到阳极电流,这样I P的变化便不明显,实验现象难以观察。

9.在F-H管的I-U曲线上第一个峰的位置是否对应于氩原子的第一激发电位?
不是,实际的F-H管的阴极和栅极往往是不同的金属材料制成的,因此会产生接触电位差.而进入加速区的电子已经具有一定的能量,使真正加到电子上的加速电压不等于UG2k.这将影响到F-H实验曲线第一个峰的位置,是它左移或右移
10.实验中，取不同的减速电压Vp时，曲线Ip－VG2应有何变化？为什么？
答；减速电压增大时，在相同的条件下到达极板的电子所需的动能就越大，一些在较小的拒斥电压下能到达极板的电子在拒斥电压升高后就不能到达极板了。

总的来说到达极板的电子数减小，因此极板电流减小。

11.实验中，取不同的灯丝电压Vf时，曲线Ip－VG2应有何变化？为什么？
答；灯丝电压变大导致灯丝实际功率变大，灯丝的温度升高，从而在其他参数不变得情况下，单位时间到达极板的电子数增加，从而极板电流增大。

灯丝电压不能过高或过低。

因为灯丝电压的
高低，确定了阴极的工作温度，按照热电子发射的规律，影响阴极热电子的发射能力。

灯丝电位低，阴极的发射电子的能力减小，使得在碰撞区与汞原子相碰撞的电子减少，从而使板极A所检测到的电流减小，给检测带来困难，从而致使曲线Ip－VG2曲线的分辨率下降；灯丝电压高，按照上面的分析，灯丝电压的提高能提高电流的分辨率。

但灯丝电压高, 致使阴极的热电子发射能力增加，同时电子的初速增大，引起逃逸电子增多，相邻峰、谷值的差值却减小了。

2.2 ƴ能谱的测量
1.Ƴ射线与物质相互作用时，其损失能量方式有两种，分别是电离和激发。

其中激发的方式有
三种，它们是光电效应、康普顿效应和电子对效应。

（射线能量在30MeV以下时）
2.Ƴ射线与物质有哪些相互作用？在能谱中如何体现？
答：光电效应（光电峰即全能峰）、康普顿散射（康普顿平台）和电子对效应（射线能量大于1.02MeV时，可以发生电子对效应……）。

3.137Cs(Er=0.662MeV)的Ƴ射线与物质的相互作用有哪几种形式？为什么？
答：光电效应、康普顿散射，因为Er=0.662MeV＜1.02MeV，不会发生电子对效应。

4.什么是全能峰（光电峰）？它有什么特点？在能谱中怎样寻找？
答：入射射线的能量全部损失在探测器灵敏体积内时，探测器输出脉冲形成的谱峰；特点是其峰位的能量对应于γ射线的能量；在能谱中最高的尖峰即为全能峰。

5.什么是能量分辨率？有什么作用？如何测量？
答：（其中FWHM为分布曲线极大值一半处的全宽度即半高宽，为全能峰对
应的道址）；检验与比较γ谱仪性能的优劣；观察137Cs谱形，调节高压和线性放大器的放大倍数，使137Cs谱形中四个峰的位置分布合适，当计数达到要求，寻找全能峰，即可求出。

6.如何测未知源的Ƴ能量？
答：在实验中用系列γ标准源，在相同的条件下测量它们的能谱，用其全能峰峰位横坐标与其对应的已知的γ粒子能量作图，即可求出能量刻度曲线Eγ=G·x+E0，利用这条能量刻度曲线就可以求出未知源的γ能量。

7.单道闪烁谱仪主要由哪几部分组成？射线图谱测的是什么粒子的能量？
由探头、线性放大器、单道、定标器、线性率表、示波器、低压电源和高压电源组成。

根据单道闪烁Ƴ谱仪的探测原理，Ƴ谱仪测量得到的图谱实际上是Ƴ射线与NaI晶体相互作用产生的次级电子能量的分布谱。

因而其实质测量的是次级电子的能量。

8.用闪烁Ƴ能谱仪测量单能Ƴ射线的能谱，为什么呈连续的分布？
由于单能γ射线所产生的这三种次级电子能量各不相同，甚至对康普顿效应是连续的，因此相应一种单能γ射线，闪烁探头输出的脉冲幅度谱也是连续的。

9.反散射峰是怎样形成的？如何从实验上减小这一效应？
反散射峰主要由打到光电倍增管上或晶体周围物质上后反散射回到晶体中的Ƴ射线产生。

Ƴ射线在源衬底材料上的反散射也会对反散射峰有贡献。

放射源辐射C射线的方向具有一定的随机性, 它在源衬底材料上的反散射我们无法加以控制。

对于射向光电倍增管的射线我们也不能加以限制, 因为最终对能谱的测量和观察全靠光电倍增管将晶体中产生的光脉冲转换成电脉冲。

因此我们只能限制射向晶体周围物质的射线，这有以下两种方式：
（1）通过加大探头和放射源之间的距离以加大射线对晶体周围物质的入射角并观察反散射峰和光电峰计数率的变化。

距离改变较小时计数率的变化不明显, 而距离拉得太远又影响探头的探测效果。

（2）在放射源和探头之间加一个准直装置。

10.如何从示波器上观察到的137Cs脉冲波形图，判断谱仪能量分辨率的好坏？谱仪的工作条件
（放大倍数、高压等）对能量分辨率有何影响？
因为输出幅度可以变换为射线的能量，如果线性良好，可以直接变为
W表示出谱仪能够区分能量很靠近的两条谱线的本领，或者说它代表了谱仪能够分辨开（两种能量很相近）的能量差的相对值的极限。

显然W越小越好，表示它能将靠得很近的谱线分开。

对于
一台谱仪来说，近似地有，即谱仪的分辨率还与入射粒子的能量有关。

谱仪的稳定性在本实验中是很重要的，谱仪的能量分辨率，线性的正常与否与谱仪的稳定性有关。

因此在测量过程中，要求谱仪始终能正常的工作，如高压电源，放大器的放大倍数，和单道脉冲分析器的甑别阈和道宽。

如果谱仪不稳定则会使光电峰的位置变化或峰形畸变。

在测量过程中经常要对137Cs的峰位，以验证测量数据的可靠性。

为避免电子仪器随温度变化的影响，在测量前仪器必须预热半小时。

11.在测量未知源Ƴ射线的能量时为什么要对Ƴ谱仪进行刻度？如何刻度？
答：用Ƴ谱仪测量未知源Ƴ射线的能量属于相对测量方法。

根据Ƴ谱仪测量原理可知，Ƴ谱仪测量的实际上是Ƴ射线与探测物质相互作用后所产生的次级电子能量的分布情况。

在相同的放大条件下，每个脉冲幅度都对应Ƴ射线损失的能量，在一定能量范围内，Ƴ谱仪输出的脉冲幅度与次级电子能量之间呈现一定的线性关系。

为确定该线性关系，需对Ƴ谱仪进行能量刻度。

刻度方法是首先利用一组已知能量的Ƴ放射源，在相同的放大条件下，测出它们的射线在谱中相应的光电峰位置，然后做出Ƴ射线能量对脉冲幅度的能量刻度曲线，这样每个脉冲幅度就对应不同的能量。

实验中通常选用137Cs（0.662MeV）和60Co（1.17 MeV，1.33 MeV）来进行刻度。

3.4 光学信息处理
1.了解空间频率、空间频谱和空间滤波器的基本概念
答：空间频率是空间周期的倒数，是单位长度内某个空间周期性分布的物理量重复变化的次数，其量纲为L-1；空间频谱是用空间频率fx做横坐标，空间周期函数g(x)（空间频率为f x=1/x0, 3/x0, 5/x0,……的函数集来描述的）的各项正弦项系数S(n)为纵坐标得到的；空间滤波器是能够改变光信息的空间频谱的器件。

2.掌握激光光束的准直和平行光的检验
准直：使光通过准直镜，射于白屏上，移动白屏，使光斑中心位置不随之改变。

平行：在准直镜后面放平面平行平晶，移准直镜使白屏上出现干涉条纹，且条纹间距最大。

3.掌握二维正交光栅空间滤波（低通、高通、方向）的实现
4.学会阿贝成像原理关系式验证
答：阿贝成像原理认为，透镜的成像过程可以分成两步：第一步是通过物的衍射光在透镜后焦面(即频谱面)上形成空间频谱，这是衍射所引起的“分频”作用；第二步是代表不同空间频率的各
光束在像平面上相干叠加而形成物体的像，这是干涉所引起的“合成”作用。

关系式：f x =。

5.理解空间滤波器的意义
波前变换：物通过透镜1实现了第一次傅里叶变换，空间滤波器有一个透过率函数，改变了物频谱，形成了新的频谱，经过透镜2实现第二次傅里叶变换。

频谱分析：第一步发生夫琅禾费衍射，起分频作用，空间滤波器起选频作用，第二步发生干涉，起合成作用。

6.光栅的空间滤波；通过滤波器的频谱与像的对应关系。

（1）空间滤波
通过的衍射图像情况简要解释
A 全部像面上有清晰的竖直
条纹，条纹细密等距物体发出的所有光线均到达像面，像面上成物体清晰真实的像
B 0级像面上有模糊的正方
形的亮斑，均匀背景
中有花斑根据频谱分析理论，谱面上的中心亮点是零级衍射，是零频成分，在像面上为均匀背景，有花斑是因为扩束镜上不干净导致。

C 0，±1级像面上出现模糊的竖
直条纹根据频谱分析理论，±1级衍射代表物面上仅次于0级的低频成分，反映物的粗轮廓
D 0，±2级有较为清晰的竖直条
纹出现，且条纹间距
较窄根据频谱分析理论，±2级衍射代表物面上空间频率稍高于±1级衍射的成分，它反映的物的轮廓比±1级衍射就要更加清晰、细致
E 除0级外有清晰的竖直条纹出
现，但条纹亮度较暗根据频谱分析理论，此时描述物的粗轮廓和细节部分的光线全部通过，到达像面，所以成清晰的像，但0级反映在像面上是均匀的亮背景，且0级衍射在所有衍射中光强度最大，故零级不通过时，像的亮度较暗
（2）滤波器滤波
现象解释
高通滤波器细节、轮廓清晰，但图像亮度
较低高频信息主要反应物的细节，高频成分通过后，物的细节及边缘清晰；而被滤去的低频信息强度较大，故图像亮度
低。

低通滤波器细节较粗糙，但图像亮度较高滤去低频成分后，图像的精细结构消
失，黑白交变处也变得模糊，但由于低
3.5 椭圆偏振法测量薄膜厚度、折射率和金属复折射率
1.了解椭圆偏振法测量薄膜厚度折射率和金属复折射率的基本原理及思路
起偏器产生的线偏振光经取向一定的1/4波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光。

根据偏振光在反射前后的偏振状态变化（振幅、相位），即可确定样品表面的光学特性。

2.起偏器、检偏器、1/4波片调节的原理和方法
3.学会用椭圆偏振法仿真软件测量样品的过程和数据处理
4.掌握用HST-1型椭偏测厚仪测量薄膜厚度、折射率和金属复折射率的过程
5.椭偏法的误差来源
(1)方位角误差包括起偏器、检偏器和1／4波片方位角产生的误差，产生误差的主要原因是机械
缺陷
(2)光束偏离误差是由光学元件端面不严格平行造成的，光从该元件透射出来时便会有角偏离，
从而影响入射角的准确测量。

(3)色散误差是光源发出来的光具有一定带宽的准单色光，各光学元件和材料都对其有色散，从
而影响椭偏角准确测量。

(4)光源偏振元件消偏振的产生的误差，光源的偏振状态会影响消光点的测量。

(5)偏振分布不均匀导致的极小值有一较宽的分布带来的误差。

(6)当待测表面的实际性质和理想性质不相同时带来的模型误差。

(7)样品测量点的选择也会影响椭偏角的测量。

6.4 霍尔效应
1.半导体霍尔效应测量能应用于判断和测量半导体材料的什么性质？
可以确定半导体的导电类型和载流子浓度。

进一步测量霍尔系数随温度的变化，还可以确定半导体的禁带宽度、杂质的电离能及迁移率的温度特性。

2.霍尔效应实验中的热磁副效应有几种？如何消除其对测量结果的影响？
埃廷斯豪森效应，里吉-勒迪克效应，能特斯效应，不等位电势差。

可通过改变流过样品上的电流和磁场方向，使V0, V N, V RL, V T从结果中除去。

3.掌握半对数变温曲线中三个温区的判断和作用；掌握霍尔系数表达式、电导率表达式
4.掌握根据lgR-1/T曲线计算禁带宽度的方法
8.1 微波的传输特性和基本测量
波导波长、驻波比、频率、功率测量方法，基本概念。

微波频率范围：300MHz-300GHz，波长范围：1mm-1m
1.什么是波导波长？如何由波导波长求自由空间波长？如何测量波导波长？
答：微波在波导管中传输时的波长为波导波长。

其中λc=2a，称为波导截止波长，λ为自由空间波长。

先将测量线终端接短路片，移动探针位置，两个相邻波节之间距离的2倍即为波导波长。

2.说明测量频率的微波电路的组成，如何用吸收式直读频率计测量微波频率？
答：微波电路由等效电源、频率计、检波器和微安表组成。

旋转频率计并观察微安表示数，当微安表示数突然变小时，读出频率及此时的读数即可。

3.功率的测量
反射极电压从零开始调，看功率计是否超量程，若超，调衰减器，从零开始调反射极电压。

4.连接微波测试系统时，应注意哪些问题？
注意连接的紧密性,防止实验中微波泄漏,导致实验的准确性下降
6.3 用电容-电压法测半导体杂质浓度分布
1.电容-电压法适用于什么半导体二极管，其中的电容指的是什么？
答：单边突变pn结型半导体，电容指势垒电容。

2.测量杂质浓度分布一般是低掺杂还是高掺杂浓度的一侧？
答：低掺杂浓度的一侧。

3.反向电压V R与电容C、结宽L的关系
答：，
4.掌握杂质浓度N D（L）的表述公式以及对应的L如何计算
答：
5.掌握如何根据C-V曲线计算某一结宽处的杂质浓度
答：根据公式可以求出曲线上某一结宽处的斜率，就可以求出来ND (L)。

9.1 核磁共振的稳态吸收
氢核、氟核信号测量方法，基本概念。

1.什么叫核磁共振？
答：自旋不为零的粒子，如电子和质子，具有自旋磁矩。

如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂若发生在原子核上则我们称为核磁共振。

2.观测NMR吸收信号时要提供哪几种磁场？各起什么作用？各有什么要求？
答：两种。

第一种恒磁场B0使核自旋与之相互作用，核能级发生塞曼分裂，分裂为两个能级；第二种垂直于B0的B1使原子核吸收能量从低能级跃迁到高能级发生核磁共振。

共振条件
3.NMR稳态吸收有哪两个物理过程？实验中怎样才能避免饱和现象出现？
答；需要稳态吸收和弛豫两个过程。

4.怎样利用核磁共振测量回磁比和磁场强度？
5.核磁共振条件是什么？如何调节才能出现较理想的核磁共振信号？
答：核磁共振条件是：
调节：加大调制场；调节边振调节使振荡器处于边缘振荡状态；通过扫场（或扫频）调出核磁共振信号；调节样品在磁场中的位置。

6.核磁共振实验中使用的振荡器用什么特点？核磁共振法测磁场的原理和方法是什么？
答：核磁共振实验中使用的振荡器处于边缘振荡状态。

核磁共振法测磁场的原理和方法是：可选用一个已知旋磁比的样品，利用扫场或扫频，找出核磁共振信号，并且将信号调到等间距，此时满足核磁共振条件：。

则可根据测出的共振频
率和样品的旋磁比计算出磁场。

7.实现核磁共振的两种方法是什么？说明调制磁场在核磁共振实验中的作用。

答：实现核磁共振的两种方法是扫场和扫频
调制线圈的作用，就是用来产生一个弱的低频交变磁场B m迭加到稳恒磁场B0上去，这样有利于寻找和观察核磁共振吸收信号。

其作用原理如下：从原理公式可以看出，每一个磁场值
只能对应一个射频频率发生共振吸收。

而要在十几兆赫的频率范围内找到这个频率是很困难的，为了便于观察共振吸收信号，通常在稳恒磁场方向上迭加上一个弱的低频交变磁场B m，那么此时样品所在处的实际磁场为B m+ B0，由于调制磁场的幅值不大，磁场的方向仍保持不变，只是磁场的幅值随调制磁场周期性地变化，核磁矩的拉莫尔旋进角频率ω0也相应地在一定范围内发生周期性的变化，这时只要将射频场的角频率ω’调节到ω’0的变化范围之内，同时调制场的峰——峰值大于共振场范围，便能用示波器观察到共振吸收信号。

因为只有与ω’相应的共振吸收磁场范围B’0被（B m+ B0）扫过的期间才能发生核磁共振，可观察到共振吸收信号，其他时刻不满足共振条件，没有共振吸收信号。

磁场变化曲线在一周期内与B’0在两处相交，所以在一周期内能观察到两个共振吸收信号。

10.1 计算机数值模拟
1.数值模拟分哪几个步骤？
答：1）建立物理模型；2）方程和初值、边值条件的离散化；3）选择适当的代数方程组求解方法；4）在计算机上实现数值求解；5）计算结果的诊断。

2.龙格-库塔积分方法的理解
答：该方法主要是在已知方程导数和初值信息的基础上进行迭代，就可以计算出以后各个时间的x、y和z值。

3.X n, X(n+1), dt的意义分别是什么？
答：Xn 表示第n个迭代点，X(n+1) 为第n+1个迭代点，dt为时间步长。

4.在实验中如何提高速度和位移时间的分辨率？
答：减小dt。

5.画出程序流程
10.5 带电粒子数值模拟
1.数值模拟方法的特点，它与理论研究、实验研究有什么关系？
答：数值模拟方法是从基本的物理定律出发，用离散化变量描述物理体系的状态，然后利用计算机计算这些离散变量在基本物理定律的制约下的演变，从而体现物理过程的规律。

它在理论研究和实验研究之间搭起了一座“桥梁”。

数值模拟可以研究一些非常复杂的过程，而理论研究必须作出许多简化假设才能处理这些过程，简化则意味着可能丢失许多重要的因素，这就使得数值模拟可以更全面地了解一个物理过程，而且发现新的物理现象；另一方面，它能够为实验观测方案提供理论的支持，对大型实验装置进行评估，对实验条件或参数进行优化选择，以避免造成极大的经济损失和人力浪费。

2.联系天气预报系统，说明蝴蝶效应的意义
答：人们通常会认为测量的微小误差对天气预报的影响只是短时的，它对长时间的预报就不会有影响。

但是模拟结果表明，即使是一个蝴蝶的拍打都会影响到三个月后的天气。

也就是说初始条件十分微小的变化经过不断放大，对其未来状态会造成极其巨大的差别。

3.倍周期如何观察
答：在采用Rayleigh数r(t)=ro +r1 coswt 时，无论系统的初始状态如何，r1 从0增大到5.0，在ro =26.5时，经过较长时间的迭代（DisplayAfter=50 000），此时系统形成稳定的单周期；在ro =27.5时，稳态的双周期；在ro =27.9时，稳态的4周期；在ro =27.987时，稳态的64周期。

4.试从实验观察，说出混沌的主要性质
答：1）混沌系统是一个非线性系统，初值对混沌动力学系统有很大的影响；2）混沌是一种非周期的动力学过程，它是一种无序中的有序，决不仅仅是一个无从控制的随机过程。

5.如何获得x-t, x-z图？（解析下面语句）
If(i>Display After)
{putpixel(x*10+getmaxx()/2, getmaxy()-z*6-100, //x-z图
2); }
putpixel((i-DisplayAfter)/250,x*10+getmaxx()/4,WHITE); //x-t图
getmaxx()——取屏幕横向的最大坐标值；
getmaxy()——取屏幕纵向的最大坐标值。

（两个函数都是以屏幕左上角为坐标零点。

）。