北京大學(xué)近代物理實驗教學(xué)大綱

1、中文名稱：近代物理實驗I, 近代物理實驗II周學(xué)時：6 + 6英文名稱：Modern Physics Laboratory總學(xué)時：84+84課程類別：主干基礎(chǔ)課學(xué) 分：3 + 3 “近代物理實驗”是物理學(xué)院高年級學(xué)生的一門重要基礎(chǔ)課，所涉及的物理知識面廣，綜合性和技術(shù)性強(qiáng)。它對豐富和活躍學(xué)生的物理思想，鍛煉他們對物理現(xiàn)象的洞察力，引導(dǎo)他們了解實驗物理在物理學(xué)中的地位，正確認(rèn)識新物理概念的產(chǎn)生、形成和發(fā)展的過程，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)都起著非常重要的作用。通過近代物理課的學(xué)習(xí)，同學(xué)們還可以掌握科學(xué)研究中廣泛應(yīng)用的一些基本實驗技術(shù)和方法?？梢哉f，“近代物理實驗”是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決問題能力，學(xué)習(xí)如

2、何用實驗方法研究物理現(xiàn)象和規(guī)律的關(guān)鍵性一環(huán)。 北大的近代物理實驗課含近代物理實驗I和近代物理實驗II兩部分。 近代物理實驗I由涵蓋原子物理、原子核物理、激光與近代光學(xué)、真空、X射線和電子衍射、磁共振、微波、低溫和半導(dǎo)體等領(lǐng)域的近40個實驗組成。 近代物理實驗II由凝聚態(tài)物理實驗、激光實驗和材料物理實驗三個模塊組成，學(xué)生可以選修其中一個模塊的內(nèi)容。凝聚態(tài)物理實驗?zāi)K由近代物理實驗I中涉及物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性表征的一些獨(dú)立實驗組成。激光物理實驗?zāi)K內(nèi)容包括重要激光器的基本原理及特性參數(shù)測量。材料物理模塊為開放性的研究課題，題目由任課教師選定，內(nèi)容必須包括樣品制備和三種以上的物性表征手段?；灸康模?近代

3、物理實驗在物理專業(yè)的整個教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用。課程通過近代物理實驗對理科學(xué)生進(jìn)行較強(qiáng)的綜合性和技術(shù)性的實驗訓(xùn)練，來豐富和活躍學(xué)生的物理思想，鍛煉學(xué)生對物理現(xiàn)象的洞察力，引導(dǎo)學(xué)生了解實驗物理在物理學(xué)發(fā)展過程中的作用，正確認(rèn)識新物理概念的產(chǎn)生、形成和發(fā)展的過程，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，學(xué)會近代物理中的一些基本實驗技術(shù)和方法等?？梢哉f，“近代物理實驗”是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決問題能力，學(xué)習(xí)如何用實驗方法研究物理 現(xiàn)象和規(guī)律的關(guān)鍵性一環(huán)。 內(nèi)容提要： 近代物理實驗是物理專業(yè)高年級學(xué)生的一門綜合性實驗課，分為近代物理實驗 I 和近代物理實驗 II 兩部分。其中，近代物理實驗 I 由涵蓋原子物理、原子

4、核物理、激光與近代光學(xué)、真空、X 射線和電子衍射、磁共振、微波、低溫和半導(dǎo)體等領(lǐng)域的近 40 個實驗組成。在選題時，我們注意：（1）配合與近代物理發(fā)展有密切關(guān)系的課程安排一些實驗，其中有的是在近代物理學(xué)發(fā)展中起到里程碑作用的實驗。做好這些實驗對學(xué)生掌握近代物理主要領(lǐng)域中的新概念，以及對學(xué)會用實驗的方法研究物理現(xiàn)象與規(guī)律和了解物理實驗在物理學(xué)發(fā)展中的地位和作用是十分有幫助的。（2）在近代物理發(fā)展的一些重要領(lǐng)域（如核物理、激光和現(xiàn)代光學(xué)、凝聚態(tài)物理等），結(jié)合我校物理學(xué)科的設(shè)置情況，選取那些在內(nèi)容上能反映該領(lǐng)域的基本物理現(xiàn)象與規(guī)律，在實驗方法與技術(shù)上有代表性的實驗。（3）介紹近代物理實驗研究中經(jīng)常碰

5、到的一些實驗技術(shù)，如真空技術(shù)、核探測技術(shù)、低溫技術(shù)、掃描探針技術(shù)和微弱信號提取技術(shù)等。為避免搞成純技術(shù)性操作，在設(shè)計這方面的實驗時，同時安排若干具有物理內(nèi)容的實驗課題，以提高學(xué)生理論聯(lián)系實際、解決實際問題的能力。（4）吸收我校教師科學(xué)研究的成果。由于有科研工作的基礎(chǔ)，這類實驗可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深入的分析。選近代物理實驗 I課的學(xué)生要在一學(xué)期內(nèi)做不同領(lǐng)域的 7 個實驗。 近代物理實驗 II 由凝聚態(tài)物理實驗、激光實驗和材料物理實驗三個模塊組成。其中，凝聚態(tài)物理實驗?zāi)K由近代物理實驗 I 中涉及物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性表征的一些獨(dú)立實驗組成，由學(xué)生自己從中選擇 7 個實驗（不能和近代物理實驗 I 中已做過的

6、實驗重復(fù)）。 激光物理實驗?zāi)K實驗內(nèi)容包括： （1）重要激光器的基本原理及特性參數(shù)測量。 （2）重要的激光技術(shù)：調(diào) Q、倍頻、穩(wěn)頻、鎖模等；與激光技術(shù)密切相關(guān)的電光、聲光、光纖器件的原理、特性和應(yīng)用。 （3）非線性光學(xué)的基本知識：相位匹配、頻率變換；新的實驗手段和手法：微機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集和處理。 材料物理模塊為開放性的研究課題，題目由任課教師選定，內(nèi)容必須包括樣品制備和三種以上的物性表征手段。在以往的課題中，有制備磁性、有機(jī)發(fā)光和半導(dǎo)體薄膜樣品的，也有用燒結(jié)法制備大塊超導(dǎo)樣品的；有用 X 射線衍射、盧瑟福背散射和原子力顯微鏡等手段表征樣品的結(jié)構(gòu)、成分和微結(jié)構(gòu)的，也有在燒結(jié)過程中實時測量樣品電阻

7、率的。課程結(jié)束時要提交研究報告，并向課程委員會做20 分鐘的答辯。 教學(xué)要求： 通過完成一定數(shù)量獨(dú)立實驗或研究課題學(xué)生應(yīng)達(dá)到如下基本要求： 1. 通過閱讀說明書能夠正確使用一般儀器。 2. 能較深入地理解已做過實驗中涉及的基本物理概念和基本物理定律，能比較好地掌握已做過實驗中涉及實驗技術(shù)。 3. 對用實驗研究物理問題的過程有基本的了解，知道如何查找參考文獻(xiàn)，能提出自己的實驗方案（有自己的考慮就行），能對實驗結(jié)果做基本的分析。 4. 養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，特別是嚴(yán)肅認(rèn)真對待實驗數(shù)據(jù)，杜絕弄虛作假，樹立實事求是的科學(xué)態(tài)度和道德。 教學(xué)方式： 教師指導(dǎo)、獨(dú)立實驗、交流討論 實驗選題：I

8、獨(dú)立實驗： 第一單元 原子、分子物理 1-1 氫原子光譜的同位素移位 1-2 鈉原子光譜的觀測與分析 1-3 塞曼效應(yīng) 1-4 X 射線標(biāo)識譜與吸收 1-5 CO 埃氏(Angstrom)帶系光譜 1-6 振動拉曼光譜 第二單元 核探測技術(shù)及引用 2-1 用 NaI(Tl)閃爍譜儀測定 射線能譜 2-2 符合測量 2-3 盧瑟福散射 2-4 康普頓散射 2-5 穆斯堡爾效應(yīng) 2-6 用 粒子驗證相對論的動量-能量關(guān)系 第三單元 激光與光學(xué) 3-1 He-Ne 氣體激光器放電條件的研究 3-2 He-Ne 氣體激光器的縱模和橫模分析 3-3 非線性晶體中的二倍頻與和頻 3-4 利用復(fù)合光柵實現(xiàn)光

9、學(xué)微分處理 3-5 用反射橢偏儀測量折射率和薄膜厚度 3-6 晶體的電光效應(yīng)及其應(yīng)用 3-7 法拉第效應(yīng) 3-8 單光子計數(shù) 3-9 光學(xué)雙穩(wěn)態(tài) 第四單元 真空技術(shù)與薄膜制備 4-1 高壓強(qiáng)電離真空計的校準(zhǔn) 4-2 真空鍍膜 4-3 用化學(xué)氣相沉積法生長金剛石膜 第五單元 X 射線、電子衍射和結(jié)構(gòu)分析 5-1 X 射線多晶衍射儀 5-2 電子衍射 5-3 掃描電子顯微鏡 5-4 掃描隧道顯微鏡 第六單元 核磁共振 6-1 核磁共振 6-2 光泵磁共振 6-3 脈沖核磁共振 6-4 核磁共振成像第七單元 微波實驗 7-1 體效應(yīng)振蕩器的工作特性和波導(dǎo)管的工作特性 7-2 用傳輸式腔觀測鐵磁共振

10、7-3 電子自旋共振 第八單元 低溫物理實驗 8-1 純銅低溫?zé)釋?dǎo)率的測量 8-2 10K 以上溫區(qū)超導(dǎo)體基本特性的觀察 第九單元 半導(dǎo)體物理實驗 9-1 硅的霍爾系數(shù)及電阻率的測量 9-2 用電容-電壓法測量半導(dǎo)體中的雜質(zhì)分布 9-3 用熱激活法測量肖特基勢壘高度II. 激光物理實驗?zāi)K a) 高斯光束和發(fā)散角測量氦氖激光器的模式分析 b) 用光譜相對強(qiáng)度研究氦氖放電管的增益特性 c) 氦氖多譜線激光器 d) 聲光調(diào)制鎖模激光器 e) 半導(dǎo)體激光器譜線特性的測量 f) 非線性晶體中的二倍頻與和頻 g) 單模光纖的維爾德常數(shù)的測定過去 5 年部分開放性研究型實驗題目 每個題目均為 64 學(xué)時

11、1. 超高真空掃描隧道顯微鏡及應(yīng)用 2. 物質(zhì)非線性吸收的測量 3. 制備超導(dǎo)厚膜及性能測試 4. 混合物理化學(xué)氣相沉積法制備 MgB2 超導(dǎo)纖維的研究 5. 低溫純銅熱導(dǎo)率測定的改進(jìn) 6. 微井和光鉗的細(xì)胞操作和培養(yǎng) 7. 基于納米壓印技術(shù)的納米加工研究 8. 光敏 BZ 反應(yīng)的非線性動力學(xué)研究 9. 非線性系統(tǒng)的倍周期分岔和混沌 10. FDISH 的構(gòu)建及其在表面光譜學(xué)中的應(yīng)用 11. 磁光克爾譜儀的調(diào)試和應(yīng)用 12. CVD 裝置生長金剛石薄膜的研究 13. 用虛擬儀器實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡（STM）的控制 14. 硅表面人工微結(jié)構(gòu)模板的構(gòu)建和掃描探針顯微術(shù)觀察 15. 核磁共振成像實驗的

12、研究 16. 用核磁共振成像儀測弛豫時間 T1 和 T2 17. MgB2 高溫超導(dǎo)材料的燒制試驗 18. 微流控芯片加工技術(shù) 19. 四探針掃描隧道顯微鏡及應(yīng)用 20. 制備條件對 YBCO 晶體生長的影響 21. YBCO 超導(dǎo)塊材的制備及性能測試 22. 氨基酸的手征 23. Co/Cu 多層膜的制備 24. In 在 Cu 中的擴(kuò)散 25. 有機(jī)材料的發(fā)光 26. YBCO 樣品（化學(xué)燒結(jié)法制備）燒結(jié)過程中T 曲線的研究 27. MgB2 超導(dǎo)樣品二次燒結(jié)過程中T 曲線的研究及對 MgB2 超導(dǎo)樣品性能的討論 28. 原位生長 MgB2 超導(dǎo)薄膜實驗裝置的建立及研究 29. 計算機(jī)控制

13、的高溫T 曲線測量裝置的制造 30. CVD 法制備 MgB2 薄膜 31. 微型制冷機(jī)用于 R-T 曲線測量 32. 理論密度 MgB2 樣品討論 33. 有機(jī)納米管的導(dǎo)電性能測量 34. Raman 譜儀的調(diào)整和 CMOS 電路中 NiSi 材料工藝的 Raman 光譜研究 35. Raman 譜儀的調(diào)節(jié)、性能檢測以及 CdSe 納米材料的物性研究 36. Raman 譜儀的調(diào)節(jié)及納米金剛石的 Raman 譜特征 37. Raman 譜儀的調(diào)整、操作以及戰(zhàn)國和唐朝古鏡樣品的 Raman 光譜研究 考核方法：1. 獨(dú)立型實驗 評分采用百分制，為各次實驗評分的算術(shù)平均值。單次實驗評分亦采用百分制，其中，預(yù)習(xí)占20分，課堂操作占50分，報告占30分。預(yù)習(xí)部分主要考察：是否通讀相關(guān)實驗講義、對實驗原理和內(nèi)容是否有基本的了解、是否做了預(yù)習(xí)思考題等。課堂操作部分主要考察：是否遵守課堂紀(jì)律和實驗規(guī)程、是否有清晰的實驗思路、是否有獨(dú)立分析和解決問題的能力、是否有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒瀾B(tài)度、是否得到了可靠和合理測量結(jié)果等。實驗報告部分主要考察：報告是否規(guī)范完整、是否能夠用自己的語言簡明地表述實驗原理、實驗步驟的描述是否和實際一致、數(shù)據(jù)處理是否正確、圖表是否