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基于原子尺度的微观物理虚拟仿真实验
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实验要求
通过学习原子结构实验模块,要求学生:
1、了解原子的卢瑟福模型、玻尔模型和量子力学模型。
2、掌握原子在不同能级之间的跃迁行为与能量之间的关系。
3、了解利用薛定谔方程求解氢原子模型的方法,并理解不同电子云图像的物理意义。
实验报告内容
《基于原子尺度的微观物理虚拟仿真实验》实验报告
姓名: 实验成绩: 日期:
一、实验目的 (1)理解原子的卢瑟福模型、玻尔模型与量子力学模型,掌握电子跃迁规律; (2)了解原子受激吸收、自发辐射、受激辐射等现象,理解激光辐射原理; (3)通过模拟电子与原子的碰撞过程,加深对原子内部能量量子化的理解; (4)观察原子核拉莫尔进动现象,理解利用核磁共振测量磁旋比的物理原理; (5)掌握逐差法处理数据的方法,培养学生正确处理实验数据的基本能力; (6)提高分析判断推理与知识应用能力以及实验操作技能,培养科学思维方法与创新意识,提升科学素养。 二、实验原理 (1)采用三维建模技术构建原子的卢瑟福模型、玻尔模型与量子力学模型,再现电子云与电子跃迁现象; (2)激光辐射原理:光与物质相互作用过程可分为受激吸收、自发辐射和受激辐射三种。当原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,在高能级上的粒子受到外来光子的激发,会从高能级跃迁到低能级上,并释放一个与入射光子完全相同光子的过程,这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。 (3)原子第一激发电位测量原理:通过具有一定能量的电子与原子碰撞,进行能量交换而实现原子从基态到高能态的跃迁; (4)核磁共振原理:利用原子核自旋运动的特点,在外加磁场作用下,经过射频脉冲的激发后产生共振信号。 三、考核点得分情况
考核点
赋分
实际得分
一、背景知识和理论知识考核
12.5
1.原子结构背景知识 ①卢瑟福模型可以解释α粒子大角度偏转现象。 ②卢瑟福模型解释不了原子的稳定性问题。 ③玻尔的氢原子理论包括:定态条件 、频率条件 、角动量量子化条件。 ④电子云图形反映的是电子概率分布随角度的变化。 ⑤p电子云的角动量量子数为 1。
5
2. 激光产生原理背景知识和理论知识 ①无辐射跃迁的能量主要以热量的形式释放。 ②释放激光的过程为受激吸收W12过程。 ③会释放光子的过程为自发辐射A21、A31和受激辐射W21。 ④能实现集居数反转的是E2和E3能级间。 ⑤E2能级是一个稳态能级。
2.5
3.原子第一激发电位的测量实验背景知识和理论知识 ①夫兰克-赫兹实验中使用的是氢气。 ②激发能是指使原子离开基态升到某一激发态,必须要做功,它等于基态与激发态之间的能量差。 ③原子内部存在的定态能级分布状态是连续的。 ④拒斥电压的作用是筛选掉没有与原子发生碰撞的电子。 ⑤汞原子的第一激发电位是4.9V。
4. 核磁共振实验背景知识和理论知识 ①原子核具有磁矩,其自旋是空间量子化的。 ②原子的角动量在磁场中不能任意取向,只能取某些特定方向,这就是原子磁矩的空间量子化,最早斯特恩-盖拉赫通过实验进行验证。 ③1946年,布洛赫提出了高精度测量核磁矩的方法,即“核感应”方法。 ④磁共振有两种著名的探测方法。第一种是磁共振吸收法。另一种方法是磁共振感应法。 ⑤质子和电子有自旋,且带有电荷,所以具有内禀磁矩,中子虽然不带电荷,但是与质子一样有内禀磁矩。
二、实验操作考核
72.5
原子结构模块
7
激光辐射原理模块
7.5
原子第一激发电位的测量模块
31
核磁共振模块
27
三、实验习题考核
15
1、夫兰克—赫兹实验的结果表明:( ) A. 电子自旋的存在 B. 原子能量量子化 C. 原子具有磁性 D. 原子角动量量子化
2、可以通过以下哪些方式改变原子的状态?( ) A、原子吸收电磁波 B、原子发射电磁波 C、利用电场加速电子轰击原子实现能量的交换 D、将原子引入电场中
3、泡利不相容原理说:( ) A. 自旋为整数的粒子不能处于同一量子态中。 B. 自旋为整数的粒子能处于同一量子态中。 C. 自旋为半整数的粒子能处于同一量子态中。 D. 自旋为半整数的粒子不能处于同一量子态中。
4、核磁共振实验中用到了几种磁场?( ) A. 1 B. 2 C. 3 D. 4
5、质子的自旋量子数等于( ) A. 2 B. 3/2 C. 1 D. 1/2
6、夫兰克-赫兹管中,用于电子加速的电压有几个?( ) A. 1 B. 2 C. 3 D. 4
7、激光的产生必须选择合适的工作介质,在这种介质中可以实现粒子数反转,其工作物质可以是以下的哪些?(多选) A. 气体 B. 液体 C. 固体 D. 半导体
8、光的波粒二象性是指______和 ______。
9、氩原子的第一激发电位为11.5V,则氩原子从第一激发态跃迁回到基态时,电磁辐射属于以下哪个波段?( ) A. 红外线 B. 可见光 C. 紫外线 D. X射线
10、以下哪些调节方式能出现较理想的核磁共振信号。(多选) A. 加大调制场。 B. 调节边振调节使振荡器处于边缘振荡状态。 C. 通过扫场(或扫频)调出核磁共振信号。 D. 调节样品在磁场中的位置。
实验总分
100
实验台
实验报告
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