实验原理

一、原子结构模块实验原理

       卢瑟福模型：原子质量几乎全部集中在原子核，电子在原子核外绕核作轨道运动（图1（a））。

 

    图1 原子的卢瑟福模型（a）、玻尔模型（b）与量子力学模型（c）

       玻尔模型：电子只能处于一些分立的轨道上绕核转动，且不产生电磁辐射；当电子在高能级E₃与低能级E₂之间跃迁时，会以电磁波的形式放出或吸收能量；电子圆轨道满足角动量量子化条件（图1（b））。

       量子力学模型：原子核外电子的分布是概率性的，电子概率分布与角度有关（氢原子定态波函数，图1（c））。

二、激光辐射原理

       受激吸收：处于低能级E₁的原子吸收一个能量为的光子后向高能级E₂跃迁的过程（图2（a））。

       自发辐射：处于高能级E₂的原子自发地向低能级E₁跃迁，并发射一个能量为的光子的过程（图2（b））。

       受激辐射：在外来光子的刺激下，处于高能级E₂的原子向低能级E₁跃迁，并释放一个与入射光子完全相同光子的过程。在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光（图2（c））。

 

       图2 原子的受激吸收（a）、自发辐射（b）、受激辐射（c）示意图

 

三、原子第一激发电位的测量原理

 

     图3 原子第一激发电位的测量基本原理图（a）与Ip-UG2K曲线（b）

       如图3（a），阴极K和第二栅极G₂之间的电压使电子加速，板极P和第二栅极G₂的拒斥电压使电子减速。若电子在K-G₂间与氩原子碰撞，把能量传给氩原子而使后者从基态跃迁到第一激发态，电子剩余的能量很小，不足以克服拒斥电场而被折回到第二栅极，这时微电流计的电流I_P较小。随着第二栅极电压的增加，电子能量增加，在与氩原子碰撞后还可克服反向拒斥电场而达到板极，这时电流开始上升。当K-G₂间电压是氩原子第一激发电位（U0）的两倍时，电子在K-G₂间又会二次碰撞而失去能量，造成第二次板极电流下降。当满足UG_2K=nU₀（n=1, 2, …）时，板极电流均下跌，形成规则变化的I_P-UG_2K曲线（图3（b））。由此获得U₀。

四、核磁共振原理

       具有磁矩的原子核相当于一个以磁矩方向为轴的磁陀螺，若置于恒定磁场B中，且空间坐标z轴与B重合，则整个角动量围绕磁场进动，其进动角频率为。在垂直于B方向的xy平面内对做进动的原子核，加上一个旋转频率为的弱旋转磁场，当时，即发生核磁共振（图4）。共振时，氢原子核在磁场分裂能级之间跃迁，能量差为。

 

图4 核磁共振原理图

       知识点：共8 个

       1. 原子的卢瑟福模型、玻尔模型和量子力学模型；

       2. 电子跃迁规律（电子在不同能级之间的跃迁与其吸收或放出能量之间的关系）；

       3. 光与物质的相互作用（包括原子的受激吸收、自发辐射和受激辐射）；

       4. 激光的产生过程（上述三种相互作用的协同，以电子在三能级间的跃迁为例）；

       5. 电子与原子碰撞的物理过程（以电子与氩原子碰撞为例）；

       6. 夫兰克-赫兹管的伏安特性曲线与第一激发电位；

       7. 原子核的自旋与磁矩以及核磁共振的经典解释；

       8. 原子核的角动量以及核磁共振量子力学解释。

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

① 原子结构虚拟仿真

       卢瑟福模型模拟了α粒子散射实验以及电子绕原子核旋转的情形，有利于学生形象理解原子核式结构。玻尔模型展现原子的分立能级及电子跃迁现象，便于学生开展探究式学习。量子力学模型展示了电子云图像，使学生对电子概率分布有更直观的认识。

② 激光产生过程虚拟仿真

       该要素以电子在三能级间的跃迁为例，通过仿真受激吸收、自发辐射以及受激辐射的动态协同效应，模拟激光辐射过程。该仿真提供了激光形成的物理机理，使抽象复杂问题变得直观简单，拉近了理论与实践间的距离。

③ 原子第一激发电位的测量虚拟仿真

       该要素模拟了电子与氩原子的碰撞过程, 仿真了原子第一激发电位的测量实验环境，学生要经历电路连接、电压输入、数据处理等交互性操作步骤。该仿真突破了电子与原子碰撞不可视的教学瓶颈，通过“虚实结合”，增加了学生实验的体验感与获得感。

④ 核磁共振虚拟仿真

       该要素构建了核磁共振实验场景，并以动画形式从经典力学和量子力学角度解释核磁共振现象。学生在完成连接电路、设置参数、调节频率等交互性步骤之后，方能在示波器上捕捉到核磁共振信号。学生可多次重复亲历实验操作过程，实现了“以虚代实”、理论与实践的有机结合。