第5章原子物理与核物理实验 ●●● 19世纪末、20世纪初，人们在物理学领域发现了许多用经典物理学无法得到令人满 意解释的物理现象，近代物理学是为了解释这些物理现象而提出的物理理论。相对论和 量子论是近代物理学的两大理论支柱。近代物理学的所有重大发现都是在一系列实验中 完成的。本章设计了黑体辐射实验、弗兰克-赫兹实验、冉绍尔-汤森效应实验、等离子体特性 研究、丫能谱测量、康普顿散射实验、动能与动量的相对论关系测量七个实验项目，涉及光子 原子，电子等微观粒子。这些实验内容在近代物理学发展史上都占有极其重要的地位。 学习本章的主要目的为：①加深对量子物理、相对论、气体放电以及核物理等知识的 理解，认识实验在近代物理学发展中所起的关键作用：②掌握在不断深化认识、研究物质 结构理论时所形成的实验方法和实验技术。实验本身的物理内容和所用的方法、技术是 同等重要的。这些实验项日所涉及的方法和技术不但在现代物理研究领域发挥者巨大的 作用，而且在其他学科领域也得到了相当广泛的应用。通过这些实验既要学习实现物理 内容创新的实验设计思想，也要学习创新的实验方法和技术，从而不断提高自己的创新思 维和创新能力。 本章的实验项目在基本实验内容的基础上都安排了研究性或者设计性内容，有一定 的挑战度，需要学生在较好地学握基本实验原理、仪器原理的基础上查阅相关的资料方能 完成，以此锻炼学生的研究能力。在几个核物理实验项目中还安排了与石油等能源工程 应用相关的自主设计实验内容，以此体现石油等能源工程应用的特色。 实验5-1黑体辐射实验 l9世纪末，经典物理学达到了巅峰时期。开尔文(Kelvin)在英国皇家 学会所做的讲演中认为：物理学是万丈晴空，但是仍存在着两朵小小的令 可只 人不安的乌云，黑体辐射(blackbody radiation)产生的“紫外灾难”问题正 是其中之一。黑体辐射问题揭示了经典物理学理论的局限性。1900年， 视频43 德国物理学家普朗克(M.Planck)给出了正确的黑体辐射定律，并提出了 黑体辐射实验 能量子(energy quanta)的概念，从而开创了物理学的新领域 量子 理论。 257
— ２５７ — １９世纪末、２０世纪初,人们在物理学领域发现了许多用经典物理学无法得到令人满 意解释的物理现象,近代物理学是为了解释这些物理现象而提出的物理理论.相对论和 量子论是近代物理学的两大理论支柱.近代物理学的所有重大发现都是在一系列实验中 完成的.本章设计了黑体辐射实验、弗兰克Ｇ赫兹实验、冉绍尔Ｇ汤森效应实验、等离子体特性 研究、γ能谱测量、康普顿散射实验、动能与动量的相对论关系测量七个实验项目,涉及光子、 原子、电子等微观粒子.这些实验内容在近代物理学发展史上都占有极其重要的地位. 学习本章的主要目的为:① 加深对量子物理、相对论、气体放电以及核物理等知识的 理解,认识实验在近代物理学发展中所起的关键作用;② 掌握在不断深化认识、研究物质 结构理论时所形成的实验方法和实验技术.实验本身的物理内容和所用的方法、技术是 同等重要的.这些实验项目所涉及的方法和技术不但在现代物理研究领域发挥着巨大的 作用,而且在其他学科领域也得到了相当广泛的应用.通过这些实验既要学习实现物理 内容创新的实验设计思想,也要学习创新的实验方法和技术,从而不断提高自己的创新思 维和创新能力. 本章的实验项目在基本实验内容的基础上都安排了研究性或者设计性内容,有一定 的挑战度,需要学生在较好地掌握基本实验原理、仪器原理的基础上查阅相关的资料方能 完成,以此锻炼学生的研究能力.在几个核物理实验项目中还安排了与石油等能源工程 应用相关的自主设计实验内容,以此体现石油等能源工程应用的特色. 实验５Ｇ１ 黑体辐射实验 １９世纪末,经典物理学达到了巅峰时期.开尔文(Kelvin)在英国皇家 学会所做的讲演中认为:物理学是万丈晴空,但是仍存在着两朵小小的令 人不安的乌云,黑体辐射(blackbodyradiation)产生的“紫外灾难”问题正 是其中之一.黑体辐射问题揭示了经典物理学理论的局限性.１９００年, 德国物理学家普朗克(M．Planck)给出了正确的黑体辐射定律,并提出了 能量子(energyquanta)的 概 念,从 而 开 创 了 物 理 学 的 新 领 域———量 子 理论
物理实验教程一近代物理失检 目前物理学界普遍认为普朗克在柏林德国物理学会上提出黑体辐射论文报告的日 子一1900年12月14日一是量子物理学的诞辰。普朗克因发现基本作用量子并对 物理学的发展做出巨大的贡献而获得了1918年诺贝尔物理学奖。 黑体辐射实验是量子理论的实验基础。本实验通过对黑体辐射的研究测定黑体辐射 的光谱分布，了解黑体辐射的实验现象和规律，验证普朗克辐射定律、维恩位移定律 (Wien's displacement law)、斯特藩-玻耳兹曼定律(Stefan-Boltzmann law),认识物质热 辐射的量子特性，为进一步学习研究量子力学打下坚实的基础。 【实验目的】 (1)理解黑体辐射的实验现象和规律，掌握热辐射的研究方法。 (2)通过解释黑体钢射定律提高物理假说与思想实验能力。 【预习要求】 (1)黑体辐射的维恩位移定律和斯特藩-玻耳兹曼定律的物理含义分别是什么？ (2)普朗克黑体射的量子假设有哪些内容 (3)如何从普朗克公式推导出维恩位移定律和斯特藩-玻耳兹曼定律？ (4)WGH10型黑体实验仪的基本原理和使用方法是什么？ (5)实验所用软件有哪些基本功能？预存了哪些曲线和数据 【实验原理】 黑体是指能够完全吸收所有外来辐射的物体。当黑体处于热平衡状态时，其吸收的 能量等于辐射的能量。由于黑体具有最大的吸收本领，所以黑体也就具有最大的辐射本 领。这种辐射是一种温度辐射，辐射的光谱分布只与辐射体的温度有关，而与辐射方向及 周围环境无关。 一、黑体辐射的实验定律 任何物体都会以电磁辐射的形式发射 和接收能量。辐射能量与温度和表面性质 都有关系。物体的福射性质可以由一定 度下物体表面单位面积的辐射能量随波长 的分布曲线即单色辐出度E(入，T)表示 E(，T)的物理意义为：在一定的物体温度 下，单位时间内在物体的单位面积上单位 玻长间隔内所辐射出的能量。研究里体辐 射的实验规律需要知道不同温度下黑体细 2 4 m 射的光谐分布，即辐射强度与波长的关系图5-小-1不同温度下黑体辐射强度与被长的关系 曲线，如图5-1-1所示 19世纪末，很多著名的科学家包括诺贝尔奖获得者对黑体辐射进行了大量的实验研 究和理论分析，其中得出的两个著名经验定律为维恩位移定律和斯特藩-玻耳兹曼定律。 1.维恩位移定律 1893年，维恩发现：黑体在一定温度下所发射的光谱中含有辐射能量大小不同的各 258
— ２５８ — 目前物理学界普遍认为普朗克在柏林德国物理学会上提出黑体辐射论文报告的日 子———１９００年１２月１４日———是量子物理学的诞辰.普朗克因发现基本作用量子并对 物理学的发展做出巨大的贡献而获得了１９１８年诺贝尔物理学奖. 黑体辐射实验是量子理论的实验基础.本实验通过对黑体辐射的研究测定黑体辐射 的光谱分布,了 解 黑 体 辐 射 的 实 验 现 象 和 规 律,验 证 普 朗 克 辐 射 定 律、维 恩 位 移 定 律 (Wien’sdisplacementlaw)、斯特藩Ｇ玻耳兹曼定律(StefanＧBoltzmannlaw),认识物质热 辐射的量子特性,为进一步学习研究量子力学打下坚实的基础. 【实验目的】 (１)理解黑体辐射的实验现象和规律,掌握热辐射的研究方法. (２)通过解释黑体辐射定律提高物理假说与思想实验能力. 【预习要求】 (１)黑体辐射的维恩位移定律和斯特藩Ｇ玻耳兹曼定律的物理含义分别是什么? (２)普朗克黑体辐射的量子假设有哪些内容? (３)如何从普朗克公式推导出维恩位移定律和斯特藩Ｇ玻耳兹曼定律? (４)WGH１０型黑体实验仪的基本原理和使用方法是什么? (５)实验所用软件有哪些基本功能? 预存了哪些曲线和数据? 【实验原理】 黑体是指能够完全吸收所有外来辐射的物体.当黑体处于热平衡状态时,其吸收的 能量等于辐射的能量.由于黑体具有最大的吸收本领,所以黑体也就具有最大的辐射本 领.这种辐射是一种温度辐射,辐射的光谱分布只与辐射体的温度有关,而与辐射方向及 周围环境无关. 图５Ｇ１Ｇ１ 不同温度下黑体辐射强度与波长的关系 一、黑体辐射的实验定律 任何物体都会以电磁辐射的形式发射 和接收能量.辐射能量与温度和表面性质 都有关系.物体的辐射性质可以由一定温 度下物体表面单位面积的辐射能量随波长 的分布曲 线 即 单 色 辐 出 度E(λ,T)表 示. E(λ,T)的物理意义为:在一定的物体温度 下,单位时间内在物体的单位面积上单位 波长间隔内所辐射出的能量.研究黑体辐 射的实验规律需要知道不同温度下黑体辐 射的光谱分布,即辐射强度与波长的关系 曲线,如图５Ｇ１Ｇ１所示. １９世纪末,很多著名的科学家包括诺贝尔奖获得者对黑体辐射进行了大量的实验研 究和理论分析,其中得出的两个著名经验定律为维恩位移定律和斯特藩Ｇ玻耳兹曼定律. １．维恩位移定律 １８９３年,维恩发现:黑体在一定温度下所发射的光谱中含有辐射能量大小不同的各
原子物理与核物理实验第5章 种波长，能量按波长的分布以及峰值波长都将随温度的改变而改变 光谱亮度最大值的波长λx与黑体的绝对温度T成反比，即 (5-1-1) 式中，维恩常量A=2.896×10-m·K,这个式子被称为维恩位移定律。维恩位移定律 说明，一个物体越热，其辐射谱的波长越短，即随着温度的升高，绝对黑体的峰值波长向短 波方向移动，如图5-1-1所示。太阳的表面温度约为5270K,根据维恩位移定律辐射的峰 值波长为550m,处于可见光范围的中点，因此太阳的辐射为白光。人体的辐射主要是 红外光。同样，根据维恩位移定律，只要测出就可求得黑体的温度，这为光测高温提 供了一种手段。 2,斯特籍-玻耳兹曼定律 1879年，斯特藩和玻耳兹曼先后从实验和理论上得出黑体辐射的总辐出度与黑体的 绝对温度的四次方成正比，称为斯特潘-玻耳兹曼定律，即 R=6T4 (5-1-2 式中，R为总辐出度：T为黑体的绝对温度：8=5.670×108W/(m2·K),称为斯特藩 玻耳兹曼常数。 二、量子理论的诞生 实验测出的不同温度下黑体的辐射强度与波长的关系曲线如图5-1-1所示。对于此 关系曲线的理论分析历史上曾引起了一场巨大的风波，从而导致物理学的根本变革】 1893年，维恩假定辐射能量按顺率的分布类似于麦克斯韦的分子速率分布，用热力 学的理论加上一些特定的假设导出的维恩公式为： E(A,T)=ba-iew/un (5-1-3) 式中，T为绝对温度，a和b为与波长和温度无关的常数(a=1.44×10-:m·K,b=3.74× 1016W·m)。维恩公式在短波段与实验结果符合较好，而在长波段偏离较大，如图51-2 所示。 1900年6月，瑞利和金斯利用经典电动力学和统计物理学推导出单色辐出度为 EQ.T)-2T (5-1-4) 辐射强度 式中，c为真空中的光速，k为玻耳兹曼常 利-金斯曲线 数。瑞利-金斯公式在波长很长、温度较高时 普朗克曲线 与实验结果相符，但在短波段偏离非常大 当频率趋于无穷大时引起发散，这就是当时 ,实验曲线 维恩由 有名的“紫外灾难”，如图5-1-2所示。 在经典物理学理论遭到严重失败时，物 0123456789m 理学历史上出现了个变革的转折点。当 图51-2黑体辐射的实验与理论曲线 普朗克研究“紫外灾难”问题时，大阳引入了一个中无前例的特殊假设一能量量子化假 设。他利用内插法将适用于短波段的维恩公式与适用于长波段的瑞利金斯公式衔接，提 出了关于黑体辐射强度的新公式一普朗克辐射定律，解决了“紫外灾难”的问题。普朗 259
— ２５９ — 种波长,能量按波长的分布以及峰值波长都将随温度的改变而改变. 光谱亮度最大值的波长λmax 与黑体的绝对温度T 成反比,即 λmax ＝ A T (５Ｇ１Ｇ１) 式中,维恩常量A＝２８９６×１０－３ mK,这个式子被称为维恩位移定律.维恩位移定律 说明,一个物体越热,其辐射谱的波长越短,即随着温度的升高,绝对黑体的峰值波长向短 波方向移动,如图５Ｇ１Ｇ１所示.太阳的表面温度约为５２７０K,根据维恩位移定律辐射的峰 值波长为５５０nm,处于可见光范围的中点,因此太阳的辐射为白光.人体的辐射主要是 红外光.同样,根据维恩位移定律,只要测出λmax 就可求得黑体的温度,这为光测高温提 供了一种手段. ２．斯特藩Ｇ玻耳兹曼定律 １８７９年,斯特藩和玻耳兹曼先后从实验和理论上得出黑体辐射的总辐出度与黑体的 绝对温度的四次方成正比,称为斯特藩Ｇ玻耳兹曼定律,即 R ＝δT４ (５Ｇ１Ｇ２) 式中,R 为总辐出度;T 为黑体的绝对温度;δ＝５６７０×１０－８ W/(m２K４),称为斯特藩Ｇ 玻耳兹曼常数. 二、量子理论的诞生 实验测出的不同温度下黑体的辐射强度与波长的关系曲线如图５Ｇ１Ｇ１所示.对于此 关系曲线的理论分析历史上曾引起了一场巨大的风波,从而导致物理学的根本变革. １８９３年,维恩假定辐射能量按频率的分布类似于麦克斯韦的分子速率分布,用热力 学的理论加上一些特定的假设导出的维恩公式为: E(λ,T)＝bλ－５e－a/(λT) (５Ｇ１Ｇ３) 式中,T 为绝对温度,a和b为与波长和温度无关的常数(a＝１４４×１０－２ mK,b＝３７４× １０－１６ Wm２).维恩公式在短波段与实验结果符合较好,而在长波段偏离较大,如图５Ｇ１Ｇ２ 所示. １９００年６月,瑞利和金斯利用经典电动力学和统计物理学推导出单色辐出度为: 图５Ｇ１Ｇ２ 黑体辐射的实验与理论曲线 E(λ,T)＝ ２πc λ４ kBT (５Ｇ１Ｇ４) 式中,c为真空中的光速,kB 为玻耳兹曼常 数.瑞利Ｇ金斯公式在波长很长、温度较高时 与实验结果相符,但在短波段偏离非常大, 当频率趋于无穷大时引起发散,这就是当时 有名的“紫外灾难”,如图５Ｇ１Ｇ２所示. 在经典物理学理论遭到严重失败时,物 理学历史上出现了一个变革的转折点.当 普朗克研究“紫外灾难”问题时,大胆引入了一个史无前例的特殊假设———能量量子化假 设.他利用内插法将适用于短波段的维恩公式与适用于长波段的瑞利Ｇ金斯公式衔接,提 出了关于黑体辐射强度的新公式———普朗克辐射定律,解决了“紫外灾难”的问题.普朗
物理实险教程一近代物理实径S 克在辐射定律的解释上摒弃了经典物理学中能量连续的观点。他在1900年12月14日 德国物理学会上提出：电磁辐射的能量只能是量子化的。他认为黑体是由极多个带电谐 振子组成的，这些谐振子处于热平衡状态，每个谐振子具有一个固有的谐振频率，可以 发出与吸收相同频率的电磁波：每个谐振子只能吸收或发射不连续的一份一份的能量，这 个能量是一个最小能量eo=的整数倍，即谐振子能量为E一n,其中n为正整数，h为 普朗克常数，h=6.626×10-4J·$。在此能量量子化的假设下，他推导出了黑体辐射的 光谱分布公式（普朗克公式），即 E(A,T)=2mhe? (5-1-5) 可简写为： E(,T)-] (5-1-6) 式中，第一辆射常数C1=3.74×10-6W·m2,第二轺射常数C:=1.44X102m·K。 式(5-1-5)称为普朗克辐射定律，其与实验结果符合得极好，如图51-2所示。 式(5-1-5)经微分和积分后可以得到维恩位移定律和斯特藩-玻耳兹曼定律，维恩公式 和瑞利-金斯公式只不过是普朗克公式在一定条件下的近似。当波长很短、温度较低时， 普朗克公式简化成维恩公式：当波长很长、温度较高时，普朗克公式简化成瑞利-金斯公 式。于是，黑体辐射的问题终于得到了圆满解决 三、实验黑体的修正 一般物体的辐射本领和吸收本领都小于黑体，并且辐射能力不仅与温度有关，而且与 表面材料的性质有关。事实上并不存在绝对黑体，但有些物体可以近似地作为黑体来处 理，如一束光一旦从狭缝射人空腔体内就很难再通过该狭缝反射回来，那么这个开着狭缝 的空腔体就可以看作是黑体。实验中将辐射能力小于黑体，但辐射的光谱分布与黑体相 同的辐射体称为灰体 澳钨灯的钨丝是一种选择性的辐射体，与标准黑体的辆射光谱有一定的偏差，但其谱 线近似于黑体辐射曲线，可以近似看作黑体。钨丝的总辐射系数不是1，因此必须进行一 定的修正才能替代黑体。 钨丝产生的光谱是连续的，其总辐射本领Rw可表示为： (5-1-7) 式中，r为温度T时的总辐射系数，它是在给定温度下钨丝的辐出度与绝对黑体的辐出 度之比，即 -R-1-e) (5-1-8) 式中，常数C-1.47×10‘。 因此鹤丝的单色辐出度为： Ew(a,T)=[ean-1万 (5-1-9) 通过以上公式即可将溴钨灯的辐射光谱修正为绝对黑体的辐射光谱，从而进行黑体 辐射实验。本实验通过计算机自动扫描系统和黑体辐射自动处理软件（提供了钨的发射 260-
— ２６０ — 克在辐射定律的解释上摒弃了经典物理学中能量连续的观点.他在１９００年１２月１４日 德国物理学会上提出:电磁辐射的能量只能是量子化的.他认为黑体是由极多个带电谐 振子组成的,这些谐振子处于热平衡状态,每个谐振子具有一个固有的谐振频率ν,可以 发出与吸收相同频率的电磁波;每个谐振子只能吸收或发射不连续的一份一份的能量,这 个能量是一个最小能量ε０＝hν的整数倍,即谐振子能量为E＝nhν,其中n 为正整数,h 为 普朗克常数,h＝６６２６×１０－３４Js.在此能量量子化的假设下,他推导出了黑体辐射的 光谱分布公式(普朗克公式),即 E(λ,T)＝ ２πhc２ λ５ １ ehc/(λkBT)－１ (５Ｇ１Ｇ５) 可简写为: E(λ,T)＝ C１ λ５[eC２/(λT)－１] (５Ｇ１Ｇ６) 式中,第一辐射常数C１＝ ３７４×１０－１６ Wm２,第二辐射常数C２＝１４４×１０－２ mK. 式(５Ｇ１Ｇ５)称为普朗克辐射定律,其与实验结果符合得极好,如图５Ｇ１Ｇ２所示. 式(５Ｇ１Ｇ５)经微分和积分后可以得到维恩位移定律和斯特藩Ｇ玻耳兹曼定律,维恩公式 和瑞利Ｇ金斯公式只不过是普朗克公式在一定条件下的近似.当波长很短、温度较低时, 普朗克公式简化成维恩公式;当波长很长、温度较高时,普朗克公式简化成瑞利Ｇ金斯公 式.于是,黑体辐射的问题终于得到了圆满解决. 三、实验黑体的修正 一般物体的辐射本领和吸收本领都小于黑体,并且辐射能力不仅与温度有关,而且与 表面材料的性质有关.事实上并不存在绝对黑体,但有些物体可以近似地作为黑体来处 理,如一束光一旦从狭缝射入空腔体内就很难再通过该狭缝反射回来,那么这个开着狭缝 的空腔体就可以看作是黑体.实验中将辐射能力小于黑体,但辐射的光谱分布与黑体相 同的辐射体称为灰体. 溴钨灯的钨丝是一种选择性的辐射体,与标准黑体的辐射光谱有一定的偏差,但其谱 线近似于黑体辐射曲线,可以近似看作黑体.钨丝的总辐射系数不是１,因此必须进行一 定的修正才能替代黑体. 钨丝产生的光谱是连续的,其总辐射本领RW 可表示为: RW ＝εTδT４ (５Ｇ１Ｇ７) 式中,εT 为温度T 时的总辐射系数,它是在给定温度下钨丝的辐出度与绝对黑体的辐出 度之比,即 εT ＝ RW R ＝(１－e－CT ) (５Ｇ１Ｇ８) 式中,常数C＝１４７×１０－４. 因此钨丝的单色辐出度为: EW (λ,T)＝ C１εT λ５[eC２/(λT)－１] (５Ｇ１Ｇ９) 通过以上公式即可将溴钨灯的辐射光谱修正为绝对黑体的辐射光谱,从而进行黑体 辐射实验.本实验通过计算机自动扫描系统和黑体辐射自动处理软件(提供了钨的发射
原子物理与核物理实验第5章 系数)可对系统扫描的谱线进行传递修正以及黑体修正。 【实验器材】 黑体实验仪由光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D转换采集单元、电 流可调的溴钨灯光源，计算机及输出设备组成。该装置集光学、精密机械、电子学、计算机 技术于一体。 仪器的光学系统如图5-1-3所示。入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，光源发出的光束 进人入射狭缝S,S,位于反射式准光镜M的焦面上，通过S,射人的光束经M,和M,反 射成平行光束投向平面衍射光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M,成像在出射狭缝S 上。从出射狭缝S射出的单色光信号经过调制器T调制成50Hz的频率信号，经反射镜 M:、深椭球镜M:会聚在硫化铅(PbS)光信号接收器D上。通过调节转光镜Z也可以使 衍射光经出射狭缝S,射出进行检测。 光栅由机械传动系统进行转动，使不同波长的单色光依次通过出射陕缝而完成扫描。 图513黑体实验仪的光学系统 【实验内容】 一、基础性实验内容 (1)测绘不同温度下的黑体辐射曲线，并与理论黑体辐射曲线进行对比分析 (2)验证普朗克辐射定律、维恩位移定律、斯特藩玻耳兹曼定律。 二、设计性实验内容 1.实验内容 在现有实验条件的基础上，通过查阅文献资料自主设计实验方案，完成下列实验 内容： (1)利用黑体辐射源、相应的热辐射探测器以及微伏特计搭建一套组合式黑体辐射 实验装置，验证黑体辐射的基本规律。 (2)测量某一类样品的光透过率或吸光度，建立一条标准浓度曲线，进而测量样品的 未知浓度。 2.实验要求 阐述实验基本原理和方法，说明测量系统组成和基本实验步骤，进行实际实验测量， 261
— ２６１ — 系数)可对系统扫描的谱线进行传递修正以及黑体修正. 【实验器材】 黑体实验仪由光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D 转换采集单元、电 流可调的溴钨灯光源、计算机及输出设备组成.该装置集光学、精密机械、电子学、计算机 技术于一体. 仪器的光学系统如图５Ｇ１Ｇ３所示.入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝,光源发出的光束 进入入射狭缝S１,S１ 位于反射式准光镜 M２ 的焦面上,通过S１ 射入的光束经 M１ 和 M２ 反 射成平行光束投向平面衍射光栅 G 上,衍射后的平行光束经物镜 M３ 成像在出射狭缝 S２ 上.从出射狭缝S２ 射出的单色光信号经过调制器 T 调制成５０Hz的频率信号,经反射镜 M４、深椭球镜 M５ 会聚在硫化铅(PbS)光信号接收器 D 上.通过调节转光镜 Z也可以使 衍射光经出射狭缝S３ 射出进行检测. 光栅由机械传动系统进行转动,使不同波长的单色光依次通过出射狭缝而完成扫描. M１,M４—反射镜;M２—准光镜;M３—物镜;M５—深椭球镜;Z—转光镜;G—平面衍射光栅; S１—入射狭缝;S２,S３—出射狭缝;T—调制器;D—硫化铅(PbS)光信号接收器. 图５Ｇ１Ｇ３ 黑体实验仪的光学系统 【实验内容】 一、基础性实验内容 (１)测绘不同温度下的黑体辐射曲线,并与理论黑体辐射曲线进行对比分析. (２)验证普朗克辐射定律、维恩位移定律、斯特藩Ｇ玻耳兹曼定律. 二、设计性实验内容 １．实验内容 在现有实验条件的基础上,通过查阅文献资料自主设计实验方案,完 成 下 列 实 验 内容: (１)利用黑体辐射源、相应的热辐射探测器以及微伏特计搭建一套组合式黑体辐射 实验装置,验证黑体辐射的基本规律. (２)测量某一类样品的光透过率或吸光度,建立一条标准浓度曲线,进而测量样品的 未知浓度. ２．实验要求 阐述实验基本原理和方法,说明测量系统组成和基本实验步骤,进行实际实验测量
物理实验教程一近代物理实检. 选择合理方法处理实验数据，分析与讨论实验结果。 【注意事项】 (1)黑体实验仪的狭缝均为直狭缝，宽度范围为0~2.50mm且连续可调，顺时针旋 转时狭缝宽度加大，反之诚小，每旋转一周狭缝宽度变化0.50mm。为延长使用寿命，调 节时注意狭缝宽度最大不超过2.50mm。平常不使用时，狭缝最好开到0.10~ 0.50mm。为去除光栅单色仪中的高级次光谱，在使用过程中可根据需要把备用的滤光 片插人狭缝插板上。 (2)软件操作过程中不要最小化窗口，且不要进行其他操作。 (3)软件运行时因误操作会有“死机”现象，一旦发生误操作须先断掉电控箱电源，重 新启动计算机系统，稍后再进行实验操作。 (4)实验操作过程中应将手机关闭，以避免因手机收、发信号而干扰软件运行使软件 失效，导致重新安装软件。 【思考与讨论】 (1)为何能用溴钨灯进行黑体辐射实验？ (2)实验中是如何测量黑体辐射的单色辐出度的？ (3)数据处理中为何要对实验数据进行归一化处理？ (4)实验获得的数值与理论值误差较大的原因有哪些？ 【参考文献】 [1]PLANCK MAX.On the Law of Distribution of energy in the Normal Spectrum[J]. Annalen der Physik,1901.4:553-558. [2]黄永义.普朗克黑体辐射定律的建立过程[].广西物理，2011,32(3)：32-36. [3】杨福家.原子物理学[M].北京：高等教育出版社，2008. [4]游璞，于国萍.光学[M门.北京：高等教育出版社，2003. [5]陈晓明.黑体辐射定律及实验相关教学问题的探讨[」门.实验室研究与探索 2009,28(5):27-29. [6]杨平京，马世红，组合式黑体辐射实验装置的搭建和探究[口门.物理实验，2013， 33(2):46-48 实验5-2弗兰克赫兹实验 1913年，丹麦物理学家玻尔在光谱学研究和卢瑟福原子核模型的基础上把普朗克和 爱因斯坦的量子理论应用于原子系统，提出了一个氢原子模型，指出原子存在能级 (energy level)),成功地解释了原子的稳定性。玻尔原子理论的提出是原子物理学发展史 上的一个重要里程碑。1914年，德国物理学家弗兰克(.Franck)和赫兹(G.L.Hertz)通 262
— ２６２ — 选择合理方法处理实验数据,分析与讨论实验结果. 【注意事项】 (１)黑体实验仪的狭缝均为直狭缝,宽度范围为０~２５０mm 且连续可调,顺时针旋 转时狭缝宽度加大,反之减小,每旋转一周狭缝宽度变化０５０mm.为延长使用寿命,调 节时注意 狭 缝 宽 度 最 大 不 超 过 ２５０ mm. 平 常 不 使 用 时,狭 缝 最 好 开 到 ０１０~ ０５０mm.为去除光栅单色仪中的高级次光谱,在使用过程中可根据需要把备用的滤光 片插入狭缝插板上. (２)软件操作过程中不要最小化窗口,且不要进行其他操作. (３)软件运行时因误操作会有“死机”现象,一旦发生误操作须先断掉电控箱电源,重 新启动计算机系统,稍后再进行实验操作. (４)实验操作过程中应将手机关闭,以避免因手机收、发信号而干扰软件运行使软件 失效,导致重新安装软件. 【思考与讨论】 (１)为何能用溴钨灯进行黑体辐射实验? (２)实验中是如何测量黑体辐射的单色辐出度的? (３)数据处理中为何要对实验数据进行归一化处理? (４)实验获得的数值与理论值误差较大的原因有哪些? 【参考文献】 [１] PLANCK MAX．OntheLawofDistributionofenergyintheNormalSpectrum[J]． AnnalenderPhysik,１９０１,４:５５３Ｇ５５８． [２] 黄永义．普朗克黑体辐射定律的建立过程[J]．广西物理,２０１１,３２(３):３２Ｇ３６． [３] 杨福家．原子物理学[M]．北京:高等教育出版社,２００８． [４] 游璞,于国萍．光学[M]．北京:高等教育出版社,２００３． [５] 陈晓明．黑体辐射定律及实验相关教学问题的探讨[J]．实验室研究与探索, ２００９,２８(５):２７Ｇ２９． [６] 杨平京,马世红．组合式黑体辐射实验装置的搭建和探究[J]．物理实验,２０１３, ３３(２):４６Ｇ４８． 实验５Ｇ２ 弗兰克Ｇ赫兹实验 １９１３年,丹麦物理学家玻尔在光谱学研究和卢瑟福原子核模型的基础上把普朗克和 爱因斯坦的 量 子 理 论 应 用 于 原 子 系 统,提 出 了 一 个 氢 原 子 模 型,指 出 原 子 存 在 能 级 (energylevel),成功地解释了原子的稳定性.玻尔原子理论的提出是原子物理学发展史 上的一个重要里程碑.１９１４年,德国物理学家弗兰克(J．Franck)和赫兹(G．L．Hertz)通