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基于原子尺度的微观物理虚拟仿真实验

本次实验用时:0时0分

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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。

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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。

2.5

 

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。

2.5

 

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

 

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