近代物理實(shí)驗(yàn)講義(2015年1月)

1、1 原子物理實(shí)驗(yàn)1-1 鈉原子光譜分析對(duì)元素的光譜研究是了解原子結(jié)構(gòu)的重要手段之一。對(duì)鈉原子光譜的研究可以獲得有關(guān)原子結(jié)構(gòu)、原子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)、堿金屬原子的外層電子與原子核相互作用以及自旋與軌道運(yùn)動(dòng)相互作用的知識(shí)，并能對(duì)電子自旋的發(fā)現(xiàn)和元素周期表作出結(jié)釋。堿金屬是元素周期表中的第一列元素（H除外），包括Li、Na、K、Rb、Cs、Fr，是一價(jià)元素，具有相似的化學(xué)、物理性質(zhì)。堿金屬原子的光譜和氫原子光譜相似叫做類氫原子，也可以歸納成一些譜線系列，而且各種不同的堿金屬原子具有非常相似的譜線系。堿金屬原子的光譜線主要由4個(gè)譜線系組成：主線系、第一譜線系（漫線系）、第二輔線系（銳線系）和柏格曼線系（基

2、線系）。堿金屬原子與氫原子在能級(jí)方面存在差異，而且譜線系種類也不完全相同。原子實(shí)的極化和軌道貫穿理論很好的解釋了這種差別。進(jìn)一步對(duì)堿金屬原子光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究證實(shí)了電子自旋的存在和原子中電子的自旋與軌道運(yùn)動(dòng)的相互作用，即自旋軌道相互作用，這種作用較弱，由它引起了光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。鈉原子光譜及其相應(yīng)的能級(jí)結(jié)構(gòu)具有堿金屬原子光譜和能級(jí)結(jié)構(gòu)的典型特征。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握鈉原子實(shí)驗(yàn)的原理及光譜測(cè)量技術(shù)。2. 計(jì)算鈉原子各光譜項(xiàng)的量子缺和鈉原子若干激發(fā)態(tài)能級(jí)。3. 畫出鈉原子能級(jí)圖。實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)玻爾的早期理論，假定每一個(gè)原子只能夠處于一系列分立的穩(wěn)定狀態(tài)中，這些穩(wěn)定的狀態(tài)由一定的能量En來(lái)描述。這些穩(wěn)定的

3、狀態(tài)叫定態(tài)，一般情況下原子會(huì)處于能量最小的定態(tài)中，在外界的激發(fā)下，原子會(huì)躍遷到具有較大能量的定態(tài)中，在一定的條件下，原子會(huì)從能量較高的定態(tài)回到能量較低的定態(tài)，多余的能量會(huì)以光波的形式輻射出來(lái)，原子的輻射能量是以具有單色頻率的形式表現(xiàn)出來(lái)的，當(dāng)原子輻射前的能量為E2 ，輻射后的能量為E1 ，則輻射光波的頻率為： （1）其中h為普朗克常數(shù)。玻爾理論對(duì)于簡(jiǎn)單的氫原子光譜得出了很好的結(jié)果，但對(duì)于多電子原子，玻爾理論遇到了很大的困難，后來(lái)按照量子力學(xué)的觀點(diǎn)，說(shuō)明玻爾理論表明的電子在原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典模型，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是不正確的。但是用玻爾的模型卻能方便、直觀地說(shuō)明很多現(xiàn)象，所以我們?nèi)匀徊捎貌柕脑幽Ｐ蛠?lái)說(shuō)

4、明鈉原子光譜的規(guī)律性。按照玻爾的理論，氫原子的任一穩(wěn)定狀態(tài)的能量為： （2）其中：R為里德伯常數(shù)，c為光速，n為主量子數(shù)，叫做光譜項(xiàng)。主量子數(shù)n基本上決定了氫原子的狀態(tài)的能量。鈉原子的模型是由11個(gè)帶負(fù)電荷的電子圍繞著帶11個(gè)正電荷的原子核運(yùn)動(dòng)，按照泡利原理，第一層上（n=1）有2個(gè)電子，第二層上（n=2）有8個(gè)電子，構(gòu)成了兩個(gè)滿殼層，滿殼層上的電子不易電離，與原子核構(gòu)成一個(gè)比較穩(wěn)固的集團(tuán)，稱為原子實(shí)。而最后的一個(gè)電子只能分布在n大于2以上的最外面的殼層中，容易電離，我們稱之為價(jià)電子，它決定了鈉原子的化學(xué)性質(zhì)和光譜特性。這時(shí)的模型為：一個(gè)價(jià)電子繞凈電荷為1的原子實(shí)運(yùn)動(dòng)，類似與氫原子，所以也叫類

5、氫原子。因此鈉原子光譜與氫原子光譜規(guī)律相仿，但是由于鈉的原子實(shí)和氫的原子核的差異，在計(jì)算鈉的穩(wěn)定狀態(tài)的能量時(shí)原則也可以利用（2）式計(jì)算但要進(jìn)行相應(yīng)的修正，修正后為： （3）其中為有效量子數(shù),為量子缺或量子虧損。（3）式與（2）式的差別在于有效量子數(shù)不是整數(shù)，而是主量子數(shù)n減去一個(gè)數(shù)值 ，即量子修正。量子缺產(chǎn)生的原因可解釋為：原子實(shí)的極化和價(jià)電子在原子實(shí)中的軌道貫穿引起的。由于價(jià)電子電場(chǎng)的作用，原子實(shí)中帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子的中心會(huì)發(fā)生微小的相對(duì)位移，于是負(fù)電子的中心不再在原子核上，形成一個(gè)電偶極子。極化產(chǎn)生的電偶極子的電場(chǎng)作用于價(jià)電子，使它受到吸引力而引起能量降低，降低了勢(shì)能，此即原子實(shí)

6、的極化現(xiàn)象；由于原子實(shí)線度要比原子核大很多，價(jià)電子在繞原子實(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)穿越原子實(shí)，這時(shí)感受到的不再是1個(gè)單位的正電荷，而是大于1，因此進(jìn)一步降低了勢(shì)能，此即軌道貫穿現(xiàn)象。原子能量的這兩項(xiàng)修正都與價(jià)電子的角動(dòng)量狀態(tài)有關(guān)。角量子數(shù)越小，橢圓軌道的偏心率就越大，軌道貫穿和原子實(shí)極化越顯著，原子能量也降低。因此，價(jià)電子越靠近原子實(shí)，即主量子數(shù)n越小、 軌道角量子數(shù)越小時(shí)，量子缺越大（當(dāng)n較小時(shí)，量子缺主要由決定，實(shí)驗(yàn)中近似認(rèn)為與n無(wú)關(guān)）。當(dāng)鈉原子從上能級(jí)躍遷到下能級(jí)時(shí)其發(fā)射的光譜線的波數(shù)可按下式計(jì)算。這是下、上能級(jí)的光譜項(xiàng)之差，也稱之為里德伯關(guān)系式。 （4）當(dāng)下能級(jí)、上能級(jí)固定時(shí)，改變上能級(jí)值可獲得一系

7、列光譜線，根據(jù)選擇定則，要求。當(dāng)時(shí)，按習(xí)慣分別把L（）寫成：S（s），P(p)，D(d)，F(xiàn)(f),按上述方法，鈉原子光譜一般可以觀察到四個(gè)譜線系，光譜圖如圖4.5.21所示。1主線系（P）：相應(yīng)于躍遷，發(fā)射的光譜線波數(shù)為： 其中n =3，4，5，主線系的譜線比較強(qiáng)，在可見(jiàn)光區(qū)只有一條譜線，波長(zhǎng)約為589.3nm，其余皆在紫外區(qū)，由于自吸收的結(jié)果，所得鈉黃線實(shí)際為吸收譜線。2銳線系（S）：相應(yīng)于 的躍遷，發(fā)射的光譜線波數(shù)為： 其中 n =4，5，6，其第一條譜線波長(zhǎng)為818.9nm，其余均在可見(jiàn)區(qū)域，銳線系強(qiáng)度較弱，但譜線邊緣較清晰。3漫線系（D）：相應(yīng)于 的躍遷，發(fā)射的光譜線波數(shù)為： 其中

8、n =3，4，5，漫線系的譜線較粗且邊緣模糊。第一條譜線在紅外區(qū)，波長(zhǎng)約為1139.3nm，其余皆在可見(jiàn)區(qū)。4基線系（F）：相應(yīng)于 的躍遷，發(fā)射的光譜線波數(shù)為： 其中 n =4，5，6，其譜線強(qiáng)度較弱，皆在紅外區(qū)。由于電子的自旋和電子的軌道運(yùn)動(dòng)的相互作用，使原子的附加能量不僅和量子數(shù)有關(guān)，還與原子的總角動(dòng)量的量子數(shù)j有關(guān)，這樣同一能級(jí)又可分裂為多個(gè)能級(jí)，造成鈉原子光譜系有精細(xì)結(jié)構(gòu)，其中主線系和銳線系是雙線結(jié)構(gòu)，漫線系和基線系是三線結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)裝置1. 光柵光譜儀2. 低壓鈉燈3. 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1根據(jù)儀器說(shuō)明書打開光譜儀并進(jìn)行調(diào)整。2測(cè)量鈉光譜波長(zhǎng)。3各譜線波長(zhǎng)測(cè)定后，取雙線平均值，換算成波數(shù)，

9、計(jì)算每一線系中相鄰兩條譜線的波數(shù)差，根據(jù)里德伯表求出量子缺。4根據(jù)計(jì)算結(jié)果，以波數(shù)為單位按比例畫出鈉原子能級(jí)圖，并標(biāo)出各譜線系所對(duì)應(yīng)的能級(jí)躍遷和波長(zhǎng)。注意事項(xiàng)1光譜儀的狹縫應(yīng)該在教師的指導(dǎo)下調(diào)整。2鈉燈點(diǎn)亮后要等其穩(wěn)定發(fā)光并不要振動(dòng)。3要先打開光譜儀主機(jī)后開啟計(jì)算機(jī)。4光電倍增管的電壓一定要在關(guān)機(jī)前降回到0。思考題1鈉原子光譜項(xiàng)中，量子缺產(chǎn)生的原因是什么？它對(duì)鈉原子能級(jí)有何影響？2為什么用里德伯表計(jì)算量子缺？能否用計(jì)算機(jī)求解？3只有通過(guò)與氫原子能級(jí)圖對(duì)照后，才能確定出鈉原子各能級(jí)的真正主量子數(shù)。為什么？參考文獻(xiàn)1褚圣麟，1979，原子物理學(xué)。人民教育出版社。2母國(guó)光、戰(zhàn)元令，1978，光學(xué)。人

10、民教育出版社。3鄔鴻彥、朱明剛，1998，近代物理實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)出版社。4呂斯驊、朱印康，1991，近代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)（1）。高等教育出版社。附錄：里德伯表1-2 塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)史上一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，1896年，荷蘭物理學(xué)家塞曼(Zeeman)發(fā)現(xiàn)當(dāng)光源放在足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中時(shí),原來(lái)的一條光譜線分裂成幾條光譜線,分裂的譜線成分是偏振的,分裂的條數(shù)隨能級(jí)的類別而不同。稱此現(xiàn)象為塞曼效應(yīng)。早年把那些譜線分裂為三條,而裂距按波數(shù)計(jì)算正好等于一個(gè)洛倫茲單位的現(xiàn)象叫做正常塞曼效應(yīng)(洛倫茲單位)。正常塞曼效應(yīng)用經(jīng)典理論就能給予解釋。實(shí)際上大多數(shù)譜線的塞曼分裂不是正常塞曼分裂,分裂的譜線多于三條,譜線的裂

11、距可以大于也可以小于一個(gè)洛倫茲單位,人們稱這類現(xiàn)象為反常塞曼效應(yīng)。反常塞曼效應(yīng)只有用量子理論才能得到滿意的解釋。1902年塞曼因這一發(fā)現(xiàn)與洛侖茲共獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。塞曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為直接證明原子具有磁矩和空間量子化提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，對(duì)推動(dòng)量子理論的發(fā)展起了重要作用。直到今日，塞曼效應(yīng)仍是研究原子能級(jí)結(jié)構(gòu)的重要方法之一。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握觀測(cè)塞曼效應(yīng)的原理及實(shí)驗(yàn)方法。2觀察汞原子546.1nm譜線的分裂現(xiàn)象以及其偏振狀態(tài)。3由塞曼分裂測(cè)量電子的荷質(zhì)比。實(shí)驗(yàn)原理原子中的電子由于作軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生軌道磁矩,電子還具有自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生自旋磁矩,根據(jù)量子力學(xué)的結(jié)果,電子的軌道角動(dòng)量和軌道磁矩以及自旋角動(dòng)量和自旋磁矩在

12、數(shù)值上有下列關(guān)系: （1） 式中分別表示電子電荷和電子質(zhì)量；分別表示軌道量子數(shù)和自旋量子數(shù)。軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量合成原子的總角動(dòng)量,軌道磁矩和自旋磁矩合成原子的總磁矩,由于繞運(yùn)動(dòng)只有在方向的投影對(duì)外平均效果不為零，可以得到與數(shù)值上的關(guān)系為： （2） 式中g(shù)叫做朗德(Lande)因子，它表征原子的總磁矩與總角動(dòng)量的關(guān)系，而且決定了能級(jí)在磁場(chǎng)中分裂的大小。 在外磁場(chǎng)中，原子的總磁矩在外磁場(chǎng)中受到力矩L的作用 （3）式中表示磁感應(yīng)強(qiáng)度,力矩使角動(dòng)量繞磁場(chǎng)方向作進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)引起附加的能量為 將（2）式代入上式得 （4）式中、分別為和與的夾角，由于和在磁場(chǎng)中取向是量子化的,也就是在磁場(chǎng)方向的分量是量子化

13、的。的分量只能是的整數(shù)倍,即 （5）磁量子數(shù)M 共有2J+1 個(gè)值, （6）這樣,無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)的一個(gè)能級(jí),在外磁場(chǎng)的作用下分裂成2J+1個(gè)子能級(jí),每個(gè)能級(jí)附加的能量由式（6）決定，它正比于外磁場(chǎng)B和朗德因子g。設(shè)未加磁場(chǎng)時(shí)躍遷前后的能級(jí)為和,則譜線的頻率滿足下式： 在磁場(chǎng)中上下能級(jí)分別分裂為和個(gè)子能級(jí),附加的能量分別為和,新的譜線頻率n / 決定于 （7）分裂譜線的頻率差為 （8）用波數(shù)來(lái)表示為： （9）令，稱為洛侖茲單位，將有關(guān)參數(shù)代入得 式中B的單位用T(特斯拉),波數(shù)的單位為cm-1。但是并非任何兩個(gè)能級(jí)間的躍遷都是可能的，躍遷必須滿足以下選擇定則：=0,士1。當(dāng)J2=J1時(shí)，M2=0 M

14、1=0 禁戒。（1） 當(dāng)=0，垂直于磁場(chǎng)的方向觀察時(shí)，能觀察到線偏振光，線偏振光的振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)，稱為成分，平行于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)成分不出現(xiàn)。（2） 當(dāng)=土1，垂直于磁場(chǎng)觀察時(shí)，能觀察到線偏振光，線偏振光的振動(dòng)方向垂直于磁場(chǎng)，叫做線。平行于磁場(chǎng)方向觀察時(shí), 能觀察到圓偏振光，圓偏振光的轉(zhuǎn)向依賴于的正負(fù)號(hào)、磁場(chǎng)方向以及觀察者相對(duì)磁場(chǎng)的方向。=，偏振轉(zhuǎn)向是沿磁場(chǎng)方向前進(jìn)的螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)方向，磁場(chǎng)指向觀察者時(shí)，為左旋圓偏振光，稱作+；=-1，偏振轉(zhuǎn)向是沿磁場(chǎng)方向倒退的螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)方向，磁場(chǎng)指向觀察者時(shí)，為右旋圓偏振光，稱作-。本實(shí)驗(yàn)所觀察到的汞綠線，即546.1nm譜線是能級(jí)7到6之間的躍遷。與這兩能級(jí)及其

15、塞曼分裂能級(jí)對(duì)應(yīng)的量子數(shù)和g, ,值以及偏振態(tài)列表如下：表一 各光線的偏振態(tài)選擇定則KB（橫向）KB（縱向）M = 0線偏振光成分無(wú)光M =1線偏振光成分右旋圓偏振光M =1線偏振光成分左旋圓偏振光表一中K為光波矢量； B為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量；表示光波電矢量EB；表示光波電矢量EB。表二 各能態(tài)的量子數(shù)原子態(tài)符號(hào)上能級(jí)73S1下能級(jí)63P2L01S11J12g23/2M1 0 -12 1 0 -1 -2Mg2 0 -2 3 3/2 0 -3/2 -3M2g2-M1g1: -2, 3/2, -1； -1/2, 0, 1/2； 1, 3/2, 2M=M2-M1: M=-1 M=0 M=+1 (EB)

16、(EB) (EB)垂直B方向觀察： 都是線偏振光平行B方向觀察： 左旋圓偏振光， 無(wú)光， 右旋圓偏振光圖1 汞546.1nm譜線的反常塞曼效應(yīng)分裂示意圖在外磁場(chǎng)的作用下，能級(jí)間的躍遷如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)中我們使用法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具（以下簡(jiǎn)稱F-P標(biāo)準(zhǔn)具）。 F-P標(biāo)準(zhǔn)具是平行放置的兩塊平面玻璃和夾在中間的一個(gè)間隔圈組成。平面玻璃內(nèi)表面必須是平整的，其加工精度要求優(yōu)于1/20中心波長(zhǎng)。內(nèi)表面上鍍有高反射膜，膜的反射率高于90%，間隔圈用膨脹系數(shù)很小的石英材料制作，精加工成有一定的厚度，用來(lái)保證兩塊平面玻璃板之間有很高的平行度和穩(wěn)定的間距。再用三個(gè)螺絲調(diào)節(jié)玻璃上的壓力來(lái)達(dá)到精確平行。當(dāng)單色平行光束以某

17、一小角度入射到標(biāo)準(zhǔn)具的平面上時(shí)，光束在和二表面上經(jīng)多次反射和透射，分別形成一系列相互平行的反射光束1，2，3，及透射光束1，2，3，。這些相鄰光束之間有一定的光程差，而且有=2cos式中為兩平行板之間的距離，為光束在和界面上的入射角，為兩平行板之間介質(zhì)的折射率，在空氣中折射率近似為=1。這一系列互相平行并有一定光程差的光束將在無(wú)限遠(yuǎn)處或在透鏡的焦面上發(fā)生干涉。當(dāng)光程差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉，得到光強(qiáng)極大值： （10）式中N為整數(shù)，稱為干涉序。由于標(biāo)準(zhǔn)具間距是固定的，對(duì)于波長(zhǎng)一定的光，不同的干涉序N出現(xiàn)在不同的入射角處。如果采用擴(kuò)展光源照明，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具產(chǎn)生等傾干涉，它的花紋是一組同心圓環(huán)

18、，如圖2所示：用透鏡把F-P標(biāo)準(zhǔn)具的干涉花紋成像在焦平面上, 與花紋相應(yīng)的光線入射角與花紋的直徑D有如下關(guān)系: （11）式中f為透鏡的焦距。將上式代入（10）式得 N-2N-1N圖2 等傾干涉花紋 （12）由上式可見(jiàn),干涉序N與花紋直徑的平方成線性關(guān)系,隨著花紋直徑的增大花紋越來(lái)越密（見(jiàn)圖2）。式(12)等號(hào)左邊第二項(xiàng)的負(fù)號(hào)表明干涉環(huán)的直徑越大,干涉序N越小。中心花紋干涉序最大。對(duì)同一波長(zhǎng)的相鄰兩序N和N-1,花紋的直徑平方差用表示，得 （13）是與干涉序N無(wú)關(guān)的常數(shù)。對(duì)同一序，不同波長(zhǎng)和的波長(zhǎng)差為= （14）測(cè)量時(shí)所用的干涉花紋只是在中心花紋附近的幾個(gè)序?？紤]到標(biāo)準(zhǔn)具間隔圈的長(zhǎng)度比波長(zhǎng)大得多

19、,中心花紋的干涉序是很大的,因此用中心花紋的干涉序代替被測(cè)花紋的干涉序,引入的誤差可以忽略不計(jì),即,將它代入式（14）,得 （15）波數(shù)差表示， ，則 （16）其中由上兩式得到波長(zhǎng)差或波數(shù)差與相應(yīng)花紋的直徑平方差成正比。故應(yīng)用（15）式和（16）式，在測(cè)出相應(yīng)的環(huán)的直徑后，就可以計(jì)算出塞曼分裂的裂距。將（16）式代入（9）式，便得電子荷質(zhì)比的公式 實(shí)驗(yàn)裝置圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖1. 電磁鐵 2. 汞燈 3. 聚光燈 4. F-P標(biāo)準(zhǔn)具5. 偏振片 6. 1/4波片 7. 測(cè)量望遠(yuǎn)鏡 8. 晶體管穩(wěn)流電源9. 漏磁變壓器 10. 固定滑座 11. 可調(diào)滑軌 12. 導(dǎo)軌12345910111267

20、8實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。1）直流電磁鐵：當(dāng)激磁電流不同時(shí)，可提供不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁鐵可繞軸旋轉(zhuǎn)直接觀察縱效應(yīng)。2）光源: 采用筆型汞燈為光源,將汞燈管固定于兩磁極之間的燈架上(裝燈時(shí)可取下燈架),接通電源，燈管便發(fā)出很強(qiáng)的光譜線。 3）聚光鏡：提供擴(kuò)展光源。4）F-P標(biāo)準(zhǔn)具: 含有干涉濾光片,其中心波長(zhǎng)nm，間隔h=0.25cm，反射率90%，能觀察到9個(gè)明顯的塞曼分裂譜線。5）偏振片：偏振片是用以觀察偏振性質(zhì)不同的成分和成分。 6）1/4波片(中心波長(zhǎng)546.1nm): 當(dāng)沿著磁場(chǎng)方向觀察縱向效應(yīng)時(shí)，將1/4波片放置于偏振片前,用以觀察左、右旋的圓偏振光。 7）測(cè)量望遠(yuǎn)鏡：測(cè)量望遠(yuǎn)鏡是該議器的

21、關(guān)鍵部件,干涉光束通過(guò)望遠(yuǎn)物鏡成象于分劃板上,通過(guò)測(cè)量望遠(yuǎn)鏡的讀數(shù)機(jī)構(gòu)可直接測(cè)得各級(jí)干涉圓環(huán)的直徑D或分裂寬度。讀數(shù)鼓輪格值為0.01mm。測(cè)量望遠(yuǎn)鏡與F-P標(biāo)準(zhǔn)具相匹配、成象清晰,便于觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1調(diào)整光路：調(diào)節(jié)光路上各光學(xué)元件等高共軸，點(diǎn)燃汞燈，使光束通過(guò)每個(gè)光學(xué)元件的中心。調(diào)節(jié)透鏡3的位置，使盡可能強(qiáng)的均勻光束落在F-P標(biāo)準(zhǔn)具上。調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具上三個(gè)壓緊彈簧螺絲，使兩平行面達(dá)到嚴(yán)格平行，從測(cè)量望遠(yuǎn)鏡中可觀察到清晰明亮的一組同心干涉圓環(huán)。 2接通電磁鐵穩(wěn)流電源，譜線由一條分裂成九條，而且很細(xì)。從測(cè)量望遠(yuǎn)鏡中可觀察到細(xì)銳的分裂干涉圓環(huán)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)偏振片各不同位置時(shí)，可觀察到偏振性質(zhì)不同的成分和成

22、分。圖4為成分的干涉花紋示意圖3測(cè)量與數(shù)據(jù)處理：旋轉(zhuǎn)測(cè)量望遠(yuǎn)鏡讀數(shù)鼓輪，用測(cè)量分劃板的鉛垂線依次與被測(cè)圓環(huán)相切，從讀數(shù)鼓輪上讀出相應(yīng)的一組數(shù)據(jù)，它們的差值即為被測(cè)的干涉圓環(huán)直徑。用特斯拉計(jì)測(cè)出磁場(chǎng)B，利用已知常數(shù)及（16）式計(jì)算出后，再由（17）式求出電子荷質(zhì)比的值。并計(jì)算誤差。（理論值=1.761011C/kg）注意事項(xiàng)1汞燈電源電壓為高壓，要注意高壓安全； 汞燈中含有紫外線，不要長(zhǎng)時(shí)間直視。2F-P標(biāo)準(zhǔn)具及其它光學(xué)器件的光學(xué)表面，都不要用手或其他物體接觸。思考題1. 什么叫塞曼效應(yīng)、正常塞曼效應(yīng)、反常塞曼效應(yīng)？2. 反常塞曼效應(yīng)中光線的偏振性質(zhì)如何？并加以解釋。3. 垂直于磁場(chǎng)觀察時(shí)，怎樣

23、鑒別分裂譜線中的成分和成分？4. 如何判斷F-P標(biāo)準(zhǔn)具已調(diào)好？5. 什么叫成分、成分？在本實(shí)驗(yàn)中哪幾條是線？哪幾條是線？6. 敘述測(cè)量電子荷質(zhì)比的方法。圖4 成分的干涉花紋示意圖 參考文獻(xiàn)1 褚圣麟，1979，原子物理學(xué)。人民教育出版社。2 母國(guó)光、戰(zhàn)元令，1978，光學(xué)。人民教育出版社。3 鄔鴻彥、朱明剛，1998，近代物理實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)出版社。4 呂斯驊、朱印康，1991，近代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)（1）。高等教育出版社。1-3 夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)玻爾理論已由光譜研究得到了部分的證實(shí)。但是，任何重要的物理規(guī)律都必須得到至少兩種獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。德國(guó)物理學(xué)家夫蘭克（JFranck）和赫茲（GHertz）在玻爾

24、理論發(fā)表后不久，就用了一種獨(dú)立于光譜研究的方法驗(yàn)證玻爾理論。玻爾理論的要點(diǎn)是：原子內(nèi)部存在穩(wěn)定的量子態(tài)，電子在量子態(tài)之間躍遷時(shí)伴隨著電磁波的吸收或發(fā)射。光譜實(shí)驗(yàn)，就是從電磁波發(fā)射或吸收的分立特征，證明量子態(tài)的存在。而夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)則是用電子束激發(fā)原子，如果原子只能處于某些分立的能態(tài)（量子態(tài)），那么，實(shí)驗(yàn)一定會(huì)顯示，只有某種能量的電子才能引起原子的激發(fā)。為什么用電子作為激發(fā)原子的手段呢？當(dāng)電子與原子相碰撞時(shí)，它或者與原子核碰，或者與核外電子碰。對(duì)于前者，由于電子的動(dòng)能不會(huì)使原子核激發(fā)，故只能是彈性碰撞，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)為原子核的動(dòng)能部分幾乎為零；對(duì)于電子與原子中的電子相碰，顯然是彈性碰撞，電子可以

25、把它的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)移掉。把原子作為一個(gè)整體，電子可把全部動(dòng)能轉(zhuǎn)為原子的內(nèi)能。電子作為一種激發(fā)原子的手段，是十分有效的。由玻爾理論可知，處于正常狀態(tài)的原子發(fā)生狀態(tài)改變時(shí)，它所需要的能量不能少于該原子從正常狀態(tài)躍遷到第一受激態(tài)時(shí)所需要的能量，這個(gè)能量稱作臨界能量。當(dāng)電子與原子碰撞時(shí)，如果電子能量小于臨界能量，則發(fā)生彈性碰撞，即電子碰撞前后的能量幾乎不變，而只改變運(yùn)動(dòng)方向。如果電子能量大于臨界能量，則發(fā)生非彈性碰撞，這時(shí)電子給予原子躍遷到第一受激態(tài)所需要的能量，其余能量仍由電子保留。如果加速電壓等于，則電子具有能量eV（e是電子電荷）。當(dāng)值較小時(shí)，電子和原子只能發(fā)生彈性碰撞，如果當(dāng)加速電壓等于V0時(shí)，

26、電子具有的能量恰好使原子從正常狀態(tài)躍遷到第一受激態(tài)，V0就稱為第一激發(fā)電位，或臨界電位。繼續(xù)增加時(shí)，電子具有的能量就逐漸上升到足以使原子躍遷到更高的受激態(tài)（第二、第三受激態(tài)等等）。最后，到某一值時(shí)，電子能量足以使原子電離，就稱為電離電位。一般情況下，原子在受激態(tài)所處的時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)，就自動(dòng)回到正常態(tài)，并以電磁輻射的形式放出以前所獲得的能量，其頻率可以從下述關(guān)系求得：所以，當(dāng)電子的能量等于或大于第一激發(fā)能時(shí)，原子就開始發(fā)光了。受激原子所輻射的光的光譜成分與原子的受激程度有關(guān)，即與轟擊原子的電子能量有關(guān)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠脤?shí)驗(yàn)的方法測(cè)定汞（氬）的第一激發(fā)電位，從而證明原子能級(jí)的分立態(tài)的存在。實(shí)驗(yàn)原理為了研究

27、原子內(nèi)部的能量狀態(tài)問(wèn)題，1914年夫蘭克和赫茲利用被加速了的電子與原子的非彈性碰撞把原子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，同時(shí)用減速場(chǎng)測(cè)量電子由于非彈性碰撞而損失的能量，從實(shí)驗(yàn)上直接證明了原子內(nèi)部的不連續(xù)性，證實(shí)了原子能級(jí)的存在。電子與原子碰撞的方式主要分兩類：彈性碰撞和非彈性碰撞。如果碰撞過(guò)程中電子與原子的內(nèi)部狀態(tài)都未發(fā)生改變，因而它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)能量沒(méi)有改變，這種碰撞稱為彈性碰撞；反之，為非彈性碰撞。IAUG2K第一激發(fā)電位圖1 由F-H實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)曲線夫蘭克和赫茲最初研究的是汞蒸氣。當(dāng)電子與氣體原子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，其損失掉的能量用于使原子內(nèi)部的狀態(tài)發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)曲線表明，在適當(dāng)?shù)恼魵鈮合?，電?/p>

28、損失的能量為一確定值4.9eV。按照玻爾理論，該能量損失應(yīng)該等于原子的終態(tài)與始態(tài)的能量差，因此汞原子至少應(yīng)該具有兩個(gè)定態(tài)，它們之間的能量差為4.9eV。汞原子在激發(fā)態(tài)的平均滯留時(shí)間很短，在約s之內(nèi)便通過(guò)自發(fā)輻射躍遷回基態(tài)。按照玻爾理論，原子退激時(shí)，應(yīng)輻射出能量為4.9eV的光量子，即eV 其波長(zhǎng)為2536.52埃。夫蘭克和赫茲在實(shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)電子的加速電壓大于4.9V時(shí)，汞蒸氣開始發(fā)光，并獲得了波長(zhǎng)為2536.52埃的譜線。這說(shuō)明，電子損失掉4.9eV的能量使汞原子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。通常把能夠使汞原子激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)的加速電壓稱為汞的第一激發(fā)電位。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)中原子與電子的碰撞是在

29、一個(gè)專用的充氣管中進(jìn)行的，該管稱為夫蘭克-赫茲管（簡(jiǎn)稱F-H管），管內(nèi)充以不同的元素就可以測(cè)出相應(yīng)元素的第一激發(fā)電位。本實(shí)驗(yàn)所使用的夫蘭克-赫茲管是具有雙柵結(jié)構(gòu)的充汞四極管，如圖2所示。圖2 F-H實(shí)驗(yàn)原理圖VAFKG1G2AUG1KUG2AUG2K四級(jí)F-H管包括燈絲，陰極，兩個(gè)柵極、和板極。第一柵極靠近陰極，并加有一個(gè)小的正向電壓，目的在于控制管內(nèi)電子流的大小以抵消陰極附近電子云形成的負(fù)電位的影響。第二柵極靠近板極，其間加一減速電壓，使得與原子發(fā)生非彈性碰撞而損失了能量的電子不能到達(dá)板極。和之間距離較大，以保證電子與氣體原子有足夠高的碰撞幾率。燈絲加熱陰極，由發(fā)出大量電子，這些電子經(jīng)、間電

30、壓的加速而獲得能量，它們?cè)凇⒖臻g與汞原子遭遇碰撞，把部分或全部能量交換給汞原子，在、A間經(jīng)減速電壓減速到達(dá)板極A，檢流計(jì)指示出板極電流的大小。與IA的關(guān)系曲線如圖1所示。當(dāng)4.9V時(shí)，電子在、空間獲得的能量小于4.9eV（電子伏）。實(shí)驗(yàn)表明，電子與汞原子的碰撞是彈性的，在每次碰撞中，電子損失的能量只為其自身能量的倍左右，即電子幾乎沒(méi)有能量損失。因此，電子具有足夠的能量克服、A間減速電壓的作用而到達(dá)板極A，對(duì)電流作出貢獻(xiàn)。電子能量越高，就越容易抵達(dá)極板，電流也就越大，因而隨著的上升，板極電流IA逐漸升高。當(dāng)4.9V時(shí)，電子在附近獲得4.9eV的能量，這些電子與汞原子的碰撞是非彈性的。因此，將引起

31、共振吸收，電子把全部能量傳遞給汞原子，自身速度降為零。而汞原子則實(shí)現(xiàn)了從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)的躍遷。由于減速電壓的作用，失去了能量的電子將不能到達(dá)板極A，IA陡然下降。當(dāng)4.9V24.9V時(shí)，電子在、空間積蓄的能量一旦達(dá)以4.9eV，將與汞原子發(fā)生一次非彈性碰撞，而后繼續(xù)在電場(chǎng)中加速，由于在到達(dá)時(shí)重新獲得的能量小于4.9eV，故非彈性碰撞不會(huì)再發(fā)生，電子將保持其動(dòng)能不變到達(dá)，從而能夠克服的阻力到達(dá)板極A，表現(xiàn)為IA的又一次上升。當(dāng)24.9V時(shí)，電子在它的能量達(dá)到4.9eV時(shí)，與汞原子發(fā)生第一次非彈性碰撞而損失其能量。在剩余的路程中，電子在加速電場(chǎng)中又重新獲得使原子躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需的能量；并且在

32、附近與汞原子發(fā)生第二次非彈性碰撞，此時(shí)電子的能量耗盡，造成IA的再次下降。顯然，加速電壓越大，電子與原子發(fā)生第一次非彈性碰撞的地方離柵極越遠(yuǎn)。例如，當(dāng)4.9V時(shí)，只發(fā)生一次非彈性碰撞，且在時(shí)附近，造成板極電流IA的第一次下降；當(dāng)24.9V時(shí)，第一次非彈性碰撞在與之間一半路程處發(fā)生，第二次非彈性碰撞在附近發(fā)生，造成板極電流IA的第二次下降。同理，當(dāng)=34.9V時(shí)，第一次非彈性碰撞將發(fā)生在與之間三分之一路程處，經(jīng)三次非彈性碰撞失去能量，使電流再次下降。由此可見(jiàn)，每當(dāng)4.9nV（n=1,2,）時(shí)，都伴隨著IA的一次突變，出現(xiàn)一次峰值，峰間距為4.9V，連續(xù)改變加速電壓測(cè)出與IA的關(guān)系曲線，即可求出汞

33、的第一激發(fā)電位。容易證明，一定時(shí)，電子達(dá)到板極時(shí)的能量與在、空間和汞原子遭遇碰撞的地點(diǎn)無(wú)關(guān)。不難預(yù)料，當(dāng)汞管內(nèi)原子密度較大時(shí)（如相應(yīng)的汞汽壓為410Pa），電子積蓄的能量每當(dāng)達(dá)到4.9eV，將會(huì)與汞原子發(fā)生一次非彈性碰撞。比4.9V大幾倍時(shí)，電子與汞原子實(shí)現(xiàn)非彈性碰撞就有幾個(gè)相應(yīng)的區(qū)域，在這幾個(gè)區(qū)域中進(jìn)行能量交換的幾率最大。對(duì)于那些能量大于4.9eV的激發(fā)態(tài)，由于電子在加速過(guò)程中和蓄的能量還未達(dá)到這些激發(fā)態(tài)的能量之前，已與汞原子進(jìn)行了能量交換，實(shí)現(xiàn)了汞原子向第一激發(fā)態(tài)的躍遷，當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)向高激發(fā)態(tài)的躍遷的幾率就很小了。但是，當(dāng)F-H管中汞原子密度較小時(shí)，或進(jìn)一步為汞原子專門提供與電子碰撞空間（此

34、空間內(nèi)電場(chǎng)為0），由于電子的平均自由程變大，電子有機(jī)會(huì)使積蓄的能量超過(guò)4.9eV，從而使向高激發(fā)態(tài)的激發(fā)幾率迅速增加，因而對(duì)于高激發(fā)態(tài)的加速電位，IA會(huì)有相應(yīng)的峰。當(dāng)電子能量大于10.4eV時(shí)，可以使汞原子電離，出現(xiàn)電離峰。實(shí)際上由于亞穩(wěn)態(tài)的存在（相應(yīng)的電位為4.7V、5.47V等等）。以及原子的順次激發(fā)，光電效應(yīng)，二次電子發(fā)射，第二類非彈性碰撞，光致激發(fā)和光致電離的存在，使過(guò)程變得復(fù)雜。接觸電勢(shì)、彈性碰撞損失等對(duì)曲線的影響也是不可忽略的因素。不過(guò)選擇合適的工作條件及合理的數(shù)據(jù)處理方法，仍可得到滿意的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中，充汞四極管（F-H管）放在加熱爐中加熱，并維持適當(dāng)?shù)臏囟龋ㄈ?75），這個(gè)溫度對(duì)

35、電子與原子碰撞過(guò)程有著關(guān)鍵性的影響，因?yàn)楣軆?nèi)有足夠量的液態(tài)汞蒸，保證在使用溫度范圍內(nèi)總有一些液態(tài)汞存在，所以管內(nèi)的汞蒸氣總是處于飽和狀態(tài)，當(dāng)溫度變化時(shí)，汞的飽和蒸氣壓將發(fā)生變化，也就是汞蒸汽的密度發(fā)生變化從而導(dǎo)致電子與汞原子碰撞平均自由程的變化。在陰極-柵極間的電場(chǎng)力方向上，電子在一個(gè)平均自由程的路程中（即在相鄰兩次碰撞間的平均路程），將獲得一份能量，其中E為陰極-柵極間電場(chǎng)強(qiáng)度。溫度較高時(shí)，汞原子密度較大，平均自由程短（如150時(shí)，約為0.2mm），K值小，因而一個(gè)電子在兩次碰撞之間得到足夠的能量去激發(fā)較高能級(jí)的機(jī)會(huì)就比較小，大（如l00時(shí)，約為2mm），K值比較大，一個(gè)電子在兩次碰撞之間就

36、有較大的機(jī)會(huì)獲得足夠的能量去激發(fā)高能級(jí)，甚至使原子電離。如果采用適當(dāng)?shù)墓茏雍途€路裝置，即：將電子的加速和與原子的碰撞分別設(shè)置在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)（加速區(qū)：該區(qū)域的間距小于電子在汞蒸氣中的平均自由程，使電子在這個(gè)區(qū)域內(nèi)只加速不碰撞；碰撞區(qū)：該區(qū)域是電場(chǎng)為零的等勢(shì)區(qū)，電子在這個(gè)區(qū)域內(nèi)只碰撞不加速），則在較低的溫度下就有可能進(jìn)行較高能級(jí)激發(fā)電位的測(cè)定，或電離電位的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)中，板極電流IA的下降并不是完全突然的，幾的極大值附近出現(xiàn)的“峰”總會(huì)有一定的寬度，這主要是由于從陰極發(fā)出的電子的能量服從一定的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。另外，從實(shí)驗(yàn)曲線可以看到，板極其電流并不降到零，這主要是由于電子與原子的碰撞有一定的幾率，當(dāng)大部

37、分電子恰好在柵極前使汞原子激發(fā)而損失能量時(shí)，顯然會(huì)有一些電子“逃避”了碰撞。最后不需注意一點(diǎn)，實(shí)際的F-H管共陰極和柵極往往是用不同的金屬材料制作的，因此會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差。按觸電勢(shì)差的存在，使真正加到代數(shù)和。這樣影響F-H實(shí)驗(yàn)曲線第一個(gè)峰的位置，所以，實(shí)驗(yàn)中會(huì)看到，第一個(gè)峰并不在4.9V處。實(shí)驗(yàn)裝置1F-H-型分體式夫蘭克-赫茲教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀：用于測(cè)量貢的第一激發(fā)電位。2ZKY-FH-2智能夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀：用于測(cè)量氬的第一激發(fā)電位。3示波器：用于觀察曲線。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一、測(cè)量貢的第一激發(fā)電位1接通溫度控制儀電源，給夫蘭克-赫茲管加熱。2將F-H電源組各旋鈕調(diào)至最小。3當(dāng)溫度達(dá)以160后，接通F-H

38、電源組電源、掃描電源和微電流放大器電源。4加燈絲電壓1.8V，=2.0V，=1.0V。5加掃描電壓觀察板極電流。6掃描電壓選擇手動(dòng)調(diào)節(jié)，由0伏緩慢增加掃描電壓，觀察板極電流的變化，記錄峰-谷對(duì)應(yīng)的電流及電壓值。一組數(shù)據(jù)測(cè)量完畢后，將掃描電壓降至零，再重復(fù)測(cè)量一組數(shù)據(jù)。將兩組數(shù)據(jù)取平均計(jì)算汞的第一激發(fā)電位。二、測(cè)量氬的第一激發(fā)電位1. 用ZKY-FH-2智能夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀測(cè)氬的第一激發(fā)電位；2. 用計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量氬的第一激發(fā)電位。操作方法見(jiàn)實(shí)驗(yàn)室說(shuō)明。思考題1溫度對(duì)本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生什么樣的影響？2F-H管內(nèi)空間電荷的存在與變化將如何影響本實(shí)驗(yàn)？3能否由激發(fā)曲線的第一個(gè)峰位確定激發(fā)電位？1-

39、4 黑體輻射任何物體都有輻射和吸收電磁波的本領(lǐng)。物體所輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布與溫度有關(guān)，稱為熱輻射。處于熱平衡狀態(tài)物體的熱輻射光譜為連續(xù)譜。一切溫度高于0K的物體都能產(chǎn)生熱輻射。黑體是一種完全的溫度輻射體，能吸收投入到其面上的所有熱輻射能，黑體的輻射能力僅與溫度有關(guān)。任何普通物體所發(fā)射的輻射通量都小于同溫度下的黑體發(fā)射的輻射通量；其輻射能力不僅與溫度有關(guān)，還與表面的材料的性質(zhì)有關(guān)。所有黑體在相同溫度下的熱輻射都有相同的光譜，這種熱輻射特性稱為黑體輻射。黑體輻射的研究對(duì)天文學(xué)、紅外線探測(cè)等有著重要的意義。黑體是一種理想模型，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的，但卻可以人工制造出近似的人工黑體。輻射能力小

40、于黑體，但輻射的光譜分布與黑體相同的溫度輻射體稱為灰體。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 理解黑體輻射的概念。2. 驗(yàn)證普朗克輻射定律。 3. 驗(yàn)證斯特藩一玻耳茲曼定律。 4. 驗(yàn)證維恩位移定律。5. 學(xué)會(huì)測(cè)量一般發(fā)光光源的輻射能量曲線。實(shí)驗(yàn)原理1. 黑體輻射的光譜分布普朗克輻射定律 德國(guó)物理學(xué)家普朗克1900年為了克服經(jīng)典物理學(xué)對(duì)黑體輻射現(xiàn)象解釋上的困難， 推導(dǎo)出一個(gè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合的黑體輻射公式，他創(chuàng)立了物質(zhì)輻射（或吸收）的能量只能是某一最小能量單位（能量量子）的整數(shù)倍的假說(shuō)，即量子假說(shuō)，對(duì)量子論的發(fā)展有重大影響。他利用內(nèi)插法將適用于短波的維恩公式和適用于長(zhǎng)波的瑞利金斯公式銜接，提出了關(guān)于黑體輻射度的新的公式

41、普朗克輻射定律，解決了“紫外災(zāi)難”的問(wèn)題。在一定溫度下，單位面積的黑體在單位時(shí)間、單位立體角內(nèi)和單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)輻射出的能量定義為單色輻射度，普朗克黑體輻射定律為： （Wm-3）式中：第一輻射常數(shù) 第二輻射常數(shù)其中，為普朗克常數(shù)，為光速，為玻耳茲曼常數(shù)。黑體光譜輻射亮度由下式給出： （Wm-3-1）圖1給出了隨波長(zhǎng)變化的圖形。每一條曲線上都標(biāo)出黑體的絕對(duì)溫度。與諸曲線的最大值相交的對(duì)角直線表示維恩位移定律。圖1 黑體的頻譜亮度隨波長(zhǎng)的變化2. 黑體的積分輻射斯特藩-玻耳茲曼定律 如果把對(duì)所有的波長(zhǎng)積分，同時(shí)也對(duì)各個(gè)輻射方向積分，那么可得到斯特藩-玻耳茲曼定律(Stefan-Boltzmann)，

42、絕對(duì)溫度為的黑體單位面積在單位時(shí)間內(nèi)向空間各方向輻射出的總能量為輻射度。此定律用輻射度表示為： （Wm-2）為黑體的絕對(duì)溫度，為斯忒藩玻耳茲曼常數(shù)， （Wm-2K-4）由于黑體輻射是各向同性的，所以其輻射亮度與輻射度有關(guān)系：于是，斯特藩-玻耳茲曼定律也可以用輻射亮度表示為 ： （Wm-2-1）3. 維恩位移定律 1893年，維恩發(fā)現(xiàn)黑體輻射中的能量最大（對(duì)應(yīng)輻射曲線最高峰）的峰值波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度成反比，即維恩位移定律。定律指出：黑體在一定溫度下所發(fā)射的輻射中，含有輻射能大小不同的各種波長(zhǎng)，能量按波長(zhǎng)的分布情況以及峰值波長(zhǎng)，都將隨溫度的改變而改變。為常數(shù)，（mK）（Wm-3-1K-5）維恩位移定律

43、說(shuō)明，一個(gè)物體越熱，其輻射譜的波長(zhǎng)越短，即隨著溫度的升高，絕對(duì)黑體的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。太陽(yáng)的表面溫度約為5270K，根據(jù)維恩位移定律得到的峰值波長(zhǎng)為550nm，處于可見(jiàn)光范圍的中點(diǎn)，為白光。人體的輻射主要是紅外光。同樣，根據(jù)維恩位移定律只要測(cè)出，就可求得黑體的溫度，這為光測(cè)高溫提供了另一種手段。圖2 光譜亮度的峰值波長(zhǎng)與它的絕對(duì)溫度成反比4. 修正為黑體標(biāo)準(zhǔn)黑體應(yīng)是黑體實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)置，但購(gòu)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)黑體其價(jià)格太高，所以本實(shí)驗(yàn)裝置采用穩(wěn)壓溴鎢燈作光源，溴鎢燈的燈絲是用鎢絲制成，鎢是難熔金屬，它的熔點(diǎn)為3665K。鎢絲燈是一種選擇性的輻射體，它產(chǎn)生的光譜是連續(xù)的，它的總輻射本領(lǐng)可由下式求出：

44、式中為溫度時(shí)的總輻射系數(shù)（即發(fā)射系數(shù)），它是給定溫度鎢絲的輻射度與絕對(duì)黑體的輻射度之比，因此，鎢絲燈的輻射光譜分布為：由此式可將鎢絲的輻射度修正為黑體的輻射度，從而進(jìn)行黑體輻射定律的驗(yàn)證。儀器介紹1. 主機(jī)結(jié)構(gòu) 主機(jī)部分有以下幾部分組成：?jiǎn)紊鳎M縫，接收單元，光學(xué)系統(tǒng)以及光柵，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。 觀察窗出縫單色器入縫接收器溴鎢燈圖3 WGH-10型黑體實(shí)驗(yàn)裝置2. 狹縫 狹縫為直狹縫，寬度范圍 02.50mm 連續(xù)可調(diào)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為狹縫寬度加大，反之減小，每旋轉(zhuǎn)一周狹縫寬度變化0.50mm。為延長(zhǎng)使用壽命，調(diào)節(jié)時(shí)注意最大不超過(guò)2.50mm。平日不使用時(shí)，狹縫最好開到 0.100.50mm 左右。為

45、去除光柵光譜儀中的高級(jí)次光譜，在使用過(guò)程中，可根據(jù)需要把備用的濾光片插入入縫插板上。 3.光學(xué)系統(tǒng) 入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍 02.50mm 連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫S1， S1 位于反射式準(zhǔn)光鏡 M2 的焦面上， 通過(guò) S1 射入的光束經(jīng) M2反射成平行光束投向平面光柵上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡 M3成象在S2上。經(jīng)M4、M5會(huì)聚在光電接收器D上。M1反射鏡、M2準(zhǔn)光鏡、M3物鏡、M4反射鏡、M5深橢球鏡、M6轉(zhuǎn)鏡、G平面衍射光柵、S1入射狹縫、S2，S3出射狹縫、T調(diào)制器 M2、M3： 焦距302.5mm 光柵G： 每毫米刻線300條 閃耀波長(zhǎng)1400nm 濾光片

46、工作區(qū)： 第一片 8001000nm 片 10001600nm 第三片 16002500nm圖4 光學(xué)原理圖4. 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)儀器采用如圖5所示“正弦機(jī)構(gòu)”進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，絲杠由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)，螺母沿絲杠軸線方向移動(dòng)，正弦桿由彈簧拉靠在滑塊上，正弦桿與光柵臺(tái)連接，并繞光柵臺(tái)中心回轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，使不同波長(zhǎng)的單色光依次通過(guò)出射狹縫而完成“掃描”。（a）掃描結(jié)構(gòu)（b）光柵轉(zhuǎn)臺(tái)光電開關(guān)螺母滑塊電機(jī)同步帶絲杠正弦桿正弦桿光柵光柵臺(tái)固緊頂絲圖5 掃描結(jié)構(gòu)圖及光柵轉(zhuǎn)臺(tái)圖5. 溴鎢燈工作電流色溫對(duì)應(yīng)表電流（A）2.502.302.202.102.001.901.801.701.601.501.4

47、0色溫（T）29402840277026802600255024802400232022502180實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1. 認(rèn)真檢查線路，確認(rèn)正確后接通電源，儀器正式啟動(dòng)。2. 點(diǎn)擊桌面快捷鍵“WGH-10黑體實(shí)驗(yàn)裝置”。3. 建立傳遞函數(shù)曲線任何型號(hào)的光譜儀在記錄輻射光源的能量時(shí)都受光譜儀的各種光學(xué)元件，接收器件在不同波長(zhǎng)處的響應(yīng)系數(shù)影響，習(xí)慣稱之為傳遞函數(shù)。為扣除其影響，我們?yōu)橛脩籼峁┮粯?biāo)準(zhǔn)的溴鎢燈光源，其能量曲線是經(jīng)過(guò)標(biāo)定的。另外在軟件內(nèi)存儲(chǔ)了一條該標(biāo)準(zhǔn)光源在2940K 時(shí)的能量線。 將標(biāo)準(zhǔn)光源電流調(diào)整為色溫為2940K 時(shí)的電流所在位置，預(yù)熱20分鐘； 基線掃描工作方式模式選為“基線”，“

48、傳遞函數(shù)及修正為黑體”均不選，點(diǎn)擊“單程”，開始掃描。（注意：軟件操作過(guò)程中不要最小化，不要進(jìn)行其它操作） 計(jì)算傳遞函數(shù) 基線掃描結(jié)束后，依次操作驗(yàn)證黑體輻射定律計(jì)算傳遞函數(shù)彈出對(duì)話框點(diǎn)確定輸入寄存器號(hào)點(diǎn)確定，計(jì)算函數(shù)自動(dòng)完成。4. 描繪黑體輻射曲線 工作方式中模式改為“能量E”，將 “傳遞函數(shù)及修正為黑體”點(diǎn)擊成：“傳遞函數(shù)及修正為黑體”，然后點(diǎn)擊“黑體”快捷鍵，彈出溫度輸入窗口，對(duì)應(yīng)溴鎢燈工作電流色溫對(duì)應(yīng)表填入相應(yīng)的色溫，點(diǎn)擊確定，開始掃描。5. 驗(yàn)證黑體熱輻射定律 歸一化 下拉菜單：驗(yàn)證黑體輻射定律歸一化。 執(zhí)行該命令后，彈出如圖對(duì)話框。點(diǎn)擊“確定”按鈕，彈出如下對(duì)話框。選擇一個(gè)寄存器，

49、軟件會(huì)將當(dāng)前寄存器中的數(shù)據(jù)對(duì)同溫度的理論黑體的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。（注意：在進(jìn)行普朗克定率和斯特藩-玻耳茲曼定律的驗(yàn)證前，應(yīng)先進(jìn)行歸一化處理。） 普朗克輻射定律 下拉菜單： 驗(yàn)證黑體輻射定律普朗克輻射定律，執(zhí)行該命令后，彈出如圖對(duì)話框。單擊“確定”按鈕，工作區(qū)中出現(xiàn)圖標(biāo)，當(dāng)在工作區(qū)中點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵時(shí)，系統(tǒng)將光標(biāo)定位在與該點(diǎn)橫坐標(biāo)最接近的譜線數(shù)據(jù)點(diǎn)上，并在數(shù)值框中顯示該數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息。用鼠標(biāo)左鍵在不同位置點(diǎn)擊，可以讀取不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)，也可使用、二鍵移動(dòng)光標(biāo)讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)信息。單擊ENTER鍵，彈出對(duì)話框。點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，得出理論的光譜輻射度，如圖 斯特藩-玻耳茲曼定律 下拉菜單：驗(yàn)證黑體輻射定律斯特藩-玻耳

50、茲曼定律。執(zhí)行該命令后，彈出如圖對(duì)話框選擇所需的數(shù)據(jù)所在的寄存器，點(diǎn)擊確定按鈕，彈出對(duì)話框斯特藩-玻耳茲曼定律的驗(yàn)證命令中，絕對(duì)黑體總的輻射本領(lǐng)的計(jì)算范圍有兩種：a）0；b）起始波長(zhǎng)終止波長(zhǎng)。點(diǎn)擊“是”按鈕，則在當(dāng)前波長(zhǎng)范圍以外的部分，采用相同溫度的絕對(duì)黑體的理論值進(jìn)行填補(bǔ)；點(diǎn)擊“否”按鈕則只取當(dāng)前波長(zhǎng)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。確認(rèn)后彈出如圖計(jì)算結(jié)果。注意：選擇“否”，計(jì)算結(jié)果與理論值相差很多。 維恩位移定律 下拉菜單：驗(yàn)證黑體輻射定律維恩位移定律。執(zhí)行該命令后，彈出寄存器選擇對(duì)話框。選擇所需寄存器后，點(diǎn)擊確定按鈕，彈出如圖對(duì)話框。由于噪聲的原因，有時(shí)計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢出的與實(shí)際的有差別，所以這時(shí)需要手

51、動(dòng)選擇最大值的波長(zhǎng)。點(diǎn)擊重定最大值波長(zhǎng)按鈕，工作區(qū)中出現(xiàn)圖標(biāo)，當(dāng)在工作區(qū)中點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵時(shí)，系統(tǒng)將光標(biāo)定位在與該點(diǎn)橫坐標(biāo)最接近的譜線數(shù)據(jù)點(diǎn)上，并在數(shù)值框中顯示該數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息。用鼠標(biāo)左鍵在不同位置點(diǎn)擊，可以讀取不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)，也可使用、二鍵移動(dòng)光標(biāo)讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)信息。單擊ENTER鍵，彈回上圖對(duì)話框，重新選擇的數(shù)據(jù)將被自動(dòng)修改，并計(jì)算出新的結(jié)果。此步驟可重復(fù)使用。 發(fā)射系數(shù)的修正 下拉菜單：驗(yàn)證黑體輻射定律發(fā)射系數(shù)的修正。執(zhí)行該命令后，彈出如圖對(duì)話框。點(diǎn)擊“是”按鈕，彈出如圖對(duì)話框。選擇所需寄存器后，點(diǎn)擊“確定”按鈕，軟件自動(dòng)對(duì)所選中的寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。（注意：只能對(duì)鎢絲燈進(jìn)行修正） 絕對(duì)黑體的理論譜線 下拉菜單：驗(yàn)證黑體輻射定律絕對(duì)黑體的理論譜線。執(zhí)行該命令后，彈出如圖對(duì)話框。輸入溫度