第一章光谱分析技术及光谱测量实验

在自然界中，发光物体发出的光都含有多种波长的复色光，可以利用光学测量技术把这些复色光分解为单色光，并把这些单色光按照波长规律排列起来而成为光谱，获得和分析光谱的实验方法称为光谱技术。研究原子分子结构的常用方法就是研究由这些原子分子构成的光源的光谱，或者让光通过物质检测各种出射光携带的原子分子结构信息。光谱学最先起源于伟大的科学家牛顿，1666年他研究了玻璃三棱镜对太阳光的色散。到19世纪初，德国物理学家夫琅禾费（J. V. Fraunhofer）发明了光栅，为光谱的精确测量建立了基础，他设计制造了分光镜，发现了太阳光谱中的吸收暗线，人们根据这些暗线先后确认了在太阳大气中存在着钠、铁、镁、铜、锌、钡、镍等元素。1859年德国化学家本生（R. W. Bunsen）和物理学家基尔霍夫（G. R. Kirchhoff）合作改进了分光系统，并制成第一台有完备结构的分光镜，虽然结构简单，但已具有较高的分辨率和集光力，可观察火焰之类弱光谱光源，由此开辟出“光谱化学分析”这一新学科领域。从19世纪中叶起，氢原子光谱的观测和分析成为光谱分析的重要研究内容，1885年巴耳末（J. J. Balmer）找到一个经验公式来说明已知的氢原子可见光范围内的光谱线，这个经验公式为玻尔（N. H. D. Bohr）提出原子能级模型和光的发射吸收理论提供了实验基础。此后，原子光谱的规律陆续被总结出来，在解释原子光谱规律的过程中量子力学在20世纪初期建立了。在对碱金属原子光谱的研究过程中，发现了电子的自旋和自旋磁矩。

●1.1光谱分析技术

介绍了光谱分析的种类和应用以及光谱分析的各种技术。

●1.2光栅光谱仪

介绍了实验所用的WGD-8A型光栅光谱仪的结构和原理。

●1.3氢原子光谱与里德伯常数的测定

1、实验简介
氢原子光谱(atomic spectrum of hydrogen)是最简单的原子光谱。由A.埃斯特朗首先从氢放电管中获得，后来W.哈根斯和H.沃格耳等在拍摄恒星光谱中也发现了氢原子光谱线。到1885年已在可见光和近紫外光谱区发现了氢原子光谱的14条谱线，谱线强度和间隔都沿着短波方向递减。其中可见光区有4条，分别用Hα、Hβ、Hγ、Hδ表示，其波长的粗略值分别为656.28纳米、486.13纳米、434.05纳米和410.17纳米。氢原子光谱是氢原子内的电子在不同能级跃迁时发射或吸收不同频率 的光子形成的光谱。氢原子光谱为不连续的线状光谱。
2、实验目的
“实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。
(1) 通过测量氢光谱（在可见光区域）谱线的波长，验证巴尔末规律的正确性。
(2) 测定氢的里德伯常数，对近代测量精度有初步了解。
(3) 掌握光栅光谱仪的分光原理和使用方法。

●1.4介质的吸收光谱分析

1、 实验简介
吸收光谱(absorption spectrum)是指物质吸收光子，从低能级跃迁到高能级而产生的光谱。吸收光谱可是线状谱或吸收带。研究吸收光谱不仅可以获得关于介质的信息，如成分、浓度、厚度等，还可以获得关于光源的信息以及介质中分子、原子同电磁场或粒子相互作用的情况。
根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成.这种方法叫做光谱分析.做光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以利用吸收光谱。这种方法的优点是非常灵敏而且迅速，光谱分析在科学技术中有广泛的应用。
2、实验目的
“实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。
（1）了解光栅光谱仪的构造原理及其使用方法。
（2）加深对介质光谱特性的了解。
（3）掌握测量介质的吸收曲线或透射曲线的原理和方法。

第二章超声光栅测量液体中的声速

1、实验简介
声光效应一般指光通过受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象。光在超声波传播的液体中和在超声波传播的透明固体中一般都会发生。激光的问世促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展，为控制激光的频率、方向和强度提供了一个有效的手段，大大扩展了激光的应用领域。利用声光效应可制成声光器件，声光效应在射电望远镜和微波雷达信号处理中也得到广泛应用；利用声光效应可探测材料声学性质。本实验学习声光效应和超声光栅的基本原理，观察和分析钠黄光通过超声光栅后的衍射现象，掌握用超声光栅测量透明液体中声速的实验方法。
2、实验目的
“实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。
（1）了解产生超声波的方法，理解超声光栅的基本原理，能够用自准直法调整好分光计，能够在测液体中产生超声光栅并且观察到衍射现象。
（2）掌握通过波长和频率测量波速以及通过超声光栅衍射测量超声波长的原理方法，能够使用分光计测量出透明液体中超声光栅衍射条纹的衍射角，并计算出透明液体中声速。

●2.1声波与声波测量技术

介绍了声波、超声波和次声波的概念，声速的测量原理和主要测量方法，光栅的概念和原理。

●2.2超声光栅测量液体中的声速

介绍了超声光栅以及如何利用超声光栅测量液体中的声速。

第三章固体脉冲激光器基本特性参数测量

1、实验简介
激光（laser）是20世纪60年代的伟大发明，使整个光学领域的面貌焕然一新。激光作为一种新型光源，激光具有方向性强，单色性好以及亮度高等突出特点。因此，激光的应用特别广泛，从物理、化学到天文、地理，从生物、医学到无线电、计算机，从农业到工业，从机械加工到国防科技等各个方面，激光都发挥出越来越巨大的作用，并在许多领域引起了革命性的突破。在诺贝尔物理学奖中与激光相关的内容就有5次（1964、1981、1997、2000、2014年）。按工作物质物态的不同，能发射激光的装置——激光器可分为5大类：固体激光器（solid-state laser）、气体激光器（gas laser）、液体激光器（liquid laser）、半导体激光器（semiconductor lasers和自由电子激光器（free-electron laser）。本实验重点学习固体激光器调整及其基本特性测量的实验方法和实验技术。实验项目介绍。
2、实验目的
“实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。
（1）了解激光的基本物理原理，能够阐述实现激光的基本条件。
（2）理解脉冲固体激光器的工作原理，能够解释Nd:YAG晶体的能级结构和泵浦方式。
（3）掌握调整脉冲固体激光器的基本方法与技术，能够调节光学谐振器处于良好工作状态，并使激光器输出的激光最强。
（4）掌握脉冲固体激光器的基本输出特性，能够测量能量阈值、斜效率和发散角等基本特性参数，探究影响输出特性的主要因素。

●3.1激光及其产生机理

介绍了激光的产生背景，激光的产生机理，激光器的种类。

●3.2光学谐振腔

介绍了激光器最重要的部件光学谐振腔的结构、固体脉冲激光器基本特性参数的测量方法。

第四章激光法测量光速

真空中的光速（speed of light）是一个重要的基本物理常数，也是所有静止质量为零的粒子和波在真空中的传播速度，与许多物理概念和物理量都有密切联系。在物理学发展史上，光速的测量为光的波动理论和电磁理论提供了有力的实验支持，也为爱因斯坦狭义相对论的建立奠定了丰富的实验基础。光速测量在现代天文测量、空间科学技术和计量科学的发展中同样占有重要地位。因此，光速测量不仅有重要的物理意义，也有重要的实用价值。
      用激光测量光速常用方法是将激光调制成光强按一定频率周期性变化的调制光波，调制光的频率远远小于光的频率，使调制光的波长远远大于光的波长，从而可方便地高精度测量调制光的波长和频率；通过测量调制光的波长和频率来间接测量光速。激光光强调制方法有外调制和内调制两种方法。外调制方法是在激光器外面通过声光、电光等方法调制激光光强；内调制方法是在激光的形成过程中通过调制信号直接调制激光光强。
      实验激光光拍频法测量光速采用的就是通过声光调制的外调制方法。声光学是近年来新兴的一门学科，如今已广泛地应用在各个领域。将声光频移技术应用到光速测量中，使光速测量精度更高、更方便。“光拍频法”是采用特定的方法使频率相近的两束光同方向共线传播叠加形成光拍频波，通过测量光拍频波的波长和频率来确定光速。本实验采用声光调制法获得光拍频波，用频率计直接测量调制信号的频率来测出光拍频波的频率，通过外差频法监测相位来确定光拍频波的波长，进而计算光速。实验激光相位差法测量光速采用的是内调制方法。实验中采用半导体激光器作为光源，通过周期性地改变半导体激光器的工作电流使输出光强发生周期性的变化，即通过内调制方法产生光强调制波来测量光速。

●4.1激光法测量光速

介绍了激光法测量光速的背景、历史和常用方法。

●4.2激光光拍频法测量光速

介绍了激光光拍频法测量光速实验的原理、仪器和实验方法。

●4.3激光相位差法测量光速

介绍了激光相位差法测量光速的实验原理、仪器和实验方法。

第五章法拉第效应与磁光调制

1、实验简介 当一束线偏振光通过介质时，如果在介质中沿光的传播方向加上一个磁场，就会观察到光经过介质后偏振面转过一个角度，发生了旋光现象，这种现象后来被称为法拉第磁光效应，也常称为法拉第效应或法拉第旋转。法拉第效应表明磁场可使介质具有旋光性，证实了光和磁的相互作用，为光的电磁波理论奠定了实验基础。法拉第效应不仅在电、磁和光的统一理论建立方面起了重要作用，而且还有广阔的应用价值。基于法拉第效应的磁光调制技术，可通过电磁场调制光信号，实现在光信号上加载调制信号，广泛应用于基准传递、精密测角、光电通讯、材料性能检测、工业参量测量、生物医学分析等领域。本实验项目重点学习观测法拉第效应的实验方法与技术，掌握磁光调制的基本原理和检测技术。 2、实验目的 “实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。 （1）理解法拉第磁致旋光效应的宏观规律和微观原理。 （2）学会法拉第效应磁光调制的基本原理，掌握测量磁光调制特性的实验方法与技术。 （3）掌握测量磁光材料费尔德常数的实验方法与技术，学会用正交消光法、光强分布相移法和磁光调制倍频法测量费尔德常数。 （4）了解法拉第一生的许多开创性成就，学习法拉第的科学精神、科学思想和科学方法，培养勇于探索未知的创新精神、善于解决复杂问题的实践能力。

●5.1法拉第效应概述

介绍了法拉第效应的发现历史、应用，什么是法拉第效应等，实验目的。

●5.2法拉第效应的实验原理

法拉第效应的基本原理。

●5.3实验仪器和实验内容

法拉第效应实验仪介绍、本实验的实验内容、注意事项等。

第六章白光再现全息照相

1、实验简介 根据波动光学理论，一定频率的光波都包含着振幅和相位两类信息，光的频率、振幅和相位可表征物体的颜色、明暗、形状和远近。照相是将物体上各点发出或反射的光波信息记录在感光材料上。普通照相与全息照相在基本原理上有着本质的区别。普通照相以几何光学原理为基础，通过成像系统使物体在感光材料上成像，感光强度与物体表面光强分布有关，光强与振幅平方成正比，因此普通照相只记录了光波的振幅信息，一般是物体的一个二维平面像。全息照相以波动光学的干涉和衍射原理为基础，在感光材料上形成物光的干涉图样，称为全息图。全息图记录了物体发出或反射光波振幅和相位的全部信息，在一定的光照条件下才能通过衍射重建原来的物光波，再现出物体的一个逼真的三维立体像。全息照相技术的出现可追溯到20世纪40年代，其发展可分为四个阶段，第一阶段是水银灯光记录的同轴全息照相，基本没有实用价值；第二阶段为激光记录激光再现的全息照相，应用受到一定的限制；第三阶段是激光记录白光再现的全息照相，实用价值更高；第四阶段是当前所致力研发的白光记录全息照相，还没有达到实用阶段。在激光记录白光再现的全息照相技术中，反射全息照相技术具有记录光路非常简单、白光直接再现的优点，还是实现真彩色全息的重要基础。本实验项目重点学习反射全息照相技术的基本原理，掌握全息照相的激光记录和白光再现的实验方法与技术。 2、实验目的 “实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。 （1）理解全息照相的基本理论，掌握白光再现的反射全息照相的基本原理。 （2）学会反射全息照相的实验方法与技术，掌握拍摄反射全息图的光路设计和调整方法。 （3）掌握反射全息图的制作方法和再现方法，学会分析全息图再现物像的基本特性。（4）学会用全息照相的方法与技术研究相关问题。 （5）了解全息照相技术中获得诺贝尔物理学奖的相关内容和研发历程，培养勇于探索的创新精神，具有科技报国的使命担当。

●6.1全息照相概述

介绍了什么是全息照相，全息照相的发展历史、应用，实验目的。

●6.2白光再现全息照相的实验原理

白光再现全息照相的基本实验原理。

●6.3实验仪器和实验内容

实验仪器介绍、本实验的实验内容、注意事项等。

第七章微波测量技术实验

微波（microwave）是一种波长较短的电磁波，频率范围约为300 MHz~300GHz，对应波长范围约为1m~1mm。微波波段还可细分为分米波（波长为1m至10cm），厘米波（波长10cm至1cm）和毫米波（波长为1cm至1mm）。波长在1毫米以下至红外线之间的电磁波称为亚毫米波或超微波，这是一个正在开发的THz波段。
     微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，不仅在雷达、通讯、导航、电子对抗、空间技术、工农业生产的各个方面有着广泛的应用，而且在高能粒子加速器、受控热核反应、射电天文、气象观测、分子生物学、等离子体、遥感技术等当代尖端科学研究中也是一种重要手段。微波测量技术作为微波技术的实验部分，在科学研究和工程实际中具有重要作用。例如：微波加速器可研究原子和分子结构，微波衍射仪可用来研究晶体结构，微波波谱仪可测定物质的许多基本物理量，微波谐振腔可用来测量物质的常数和介电损耗，等等。因此，微波测量技术已成为重要的近代物理实验技术。
      微波测量技术实验的基本目的包含“学微波”和“用微波”两个方面：（1）学习微波基础知识和掌握微波基本测量技术；（2）学习用微波作为观测手段或处理方法来研究物理现象的基本原理和实验方法。通过一系列实验，了解微波信号（microwave signal）的产生特点、工作状态及传输特性，了解常用微波器件（microwave devices）的基本性能和使用方法；掌握微波传输与测量系统的基本组成和调试技术，掌握频率、功率及驻波比等基本参量的测量技术，掌握微波传输系统的阻抗测量和匹配技术。

●7.1微波技术实验概述

介绍了微波波段、微波技术的分类、微波测量技术实验的基本目的。

●7.2常用微波器件

介绍了10种常用的微波器件的结构和使用原理。

●7.3微波的传播特性

介绍了波导中微波传播形式的种类，在矩形波导中的传播方式及传输特性。

●7.4微波测量系统调试与频率测量 仪器操作

1、实验简介
微波能量的传输须用微波传输线，因此微波测量系统的原理和结构与普通电路测量系统的均不同。微波测量系统的调整是实现微波测量的基础，主要包括信号源、测量线和阻抗匹配等方面的调整，目的是使测量系统达到最佳工作状态。本实验在理解微波传播特性的基础上，重点学习微波测量系统的基本组成和常用微波器件，掌握微波测量系统的调整方法和技术。
2、实验目的
“实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。
（1）了解微波信号源的工作原理及工作特性，熟悉微波测量系统的3大基本组成部分和常用的10种微波器件。
（2）学会微波测量系统的调试方法和技术，能够采用波导测量线将微波测量系统调整到匹配状态。
（2）了解波导测量线的基本结构和原理，学会使用波导测量线测量电场分布和波导波长。
（3）理解微波在波导中传播的特点，学会计算截止波长、自由空间波长和波导波长，会计算光速、相速度和群速度，能够观测行波、驻波和混波3种工作状态下波导中的电场分布。
（4）理解谐振法测量微波频率的基本原理，学会用谐振腔波长表测量频率和波长。
（5）理解波导波长测量的基本原理，能够用2种方法测量波导波长，进而计算出微波波长和频率。

●7.5微波晶体检波率测定与驻波比测量

1、实验简介
在微波传输过程中因负载阻抗与波导特性阻抗不匹配而产生驻波，驻波比是描述驻波特性和表征系统匹配程度的基本参量。微波驻波的测量是微波测量中最基本、最重要的内容之一，不仅可以了解微波传输线上的场分布，而且还可以测量波长、阻抗、相移、衰减、Q值等其他参量。晶体检波器是微波测量的基本器件，检波器的检波电流与所测的微波高频电压之间关系一般是非线性的，因此要准确测出驻波比等微波参量必须知道晶体检波器的检波特性，通过驻波测量来确定晶体检波特性是一种常用的方法。本实验重点学习通过驻波法来测定晶体检波律的原理与技术，以及测量驻波比的3种常用方法——直接法、等指示度法和功率衰减法。
2、实验目的
“实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。
（1）了解晶体检波器的基本结构和工作原理，能够阐述测定晶体检波律的2种基本方法：测量检波电流与相对场强关系曲线法和测量半高点法。
（2）理解波导中的驻波特性，掌握测量驻波比的基本原理和实验方法，能够正确选用直接法、等指示度法和功率衰减法测量不同大小的驻波比。

第八章矢量网络分析仪校准与散射参量测量

1、实验简介 矢量网络分析仪是一种常见的现代化微波测量仪器，主要用来测量高频器件、电路及系统的性能参数，如线性参数、非线性参数、变频参数等；既能测量单端口网络或双（多）端口网络的各种参量幅值，又能测相位。矢量网络分析仪有很多测量分析功能，被称为微波（射频）领域的仪器之王和万用表。除了直接测量分析散射参量之外，还可测量的常用参数有：驻波比、回波损耗、插入损耗、平坦度、带外抑制、衰减、增益、隔离度、特性阻抗、输入阻抗、输出阻抗、相位、延时、1dB 压缩点、噪声系数、差分参数、共模参数、共模抑制比等。可测量的常用微波器件有：天线、滤波器、衰减器、放大器、电缆、波导、功分器、合路器、双工器、耦合器、隔离器、环行器、适配器、差分器、混频器等。 本实验在理解矢量网络分析仪基本工作原理和校准原理的基础上，学会常用的校准方法和技术，重点掌握测量散射参量的基本方法和技术，具有用矢量网络分析仪测量微波器件特性参数的实践能力。 2、实验目的 “实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。 （1）理解矢量网络分析仪的基本工作原理和校准原理，学会常用的校准方法和技术。 （2）理解微波二端口网络散射参量的物理意义，学会用矢量网络分析仪测量散射参量的基本方法和技术。 （3）认识开路器、短路器、匹配负载、失配负载等终端元件，学会用矢量网络分析仪测量单端口微波器件特性参数的方法和技术。 （4）认识微带线、同轴传输线、同轴连接器等连接元件，学会用矢量网络分析仪测量二端口微波器件特性参数的方法和技术。 （5）了解矢量网络分析仪的发展前沿和微波工程应用，激发科技报国的家国情怀和使命担当。

●8.1微波网络特性参量和矢量网络分析仪概述

微波技术与微波系统的特性参量介绍，散射参量的测量，矢量网络分析仪概述，实验目的，预习要求。

●8.2微波网络特性的散射参量测量的基本原理

散射参量的矩阵形式和描述方法。

●8.3矢量网络分析仪的组成和工作原理

矢量网络分析仪的基本组成结构和基本工作原理。

●8.4矢量网络分析仪的测量误差和校准

矢量网络分析仪的测量误差的分类与来源、误差分析模型；矢量网络分析仪的校准目的和校准方法。

●8.5实验器材和实验内容

实验器材、实验内容、注意事项、思考题等。

第九章塞曼效应

1、实验简介
塞曼效应是物理学史上的一个著名实验，被认为是19世纪末、20世纪初物理学上最重要的发现之一。一方面，塞曼效应的研究推动了量子理论的发展，在物理学发展史中占有重要地位；另一方面，塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径。在天文学上，塞曼效应还可用来测量太阳和星体表面的磁场强度等。塞曼效应实验是各种磁共振实验的基础。
2、实验目的
“实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。
（1）掌握塞曼效应的基本原理，能够推导出汞灯绿光谱线在磁场中的塞曼分裂，并计算出分裂谱线波长差。
（2）学习高分辨F-P标准具的分光原理和调节方法，掌握应用F-P标准具研究塞曼效应的实验方法，能够观测塞曼分裂谱线波长差。
（3）测量磁场中的谱线分裂波长差和电子荷质比，能够与理论推导结果对比分析。

●9.1原子的能级在磁场的塞曼分裂 谱线的分裂

介绍了塞曼效应实验的背景、原子的能级在磁场中的分裂以及光的谱线在磁场的分裂情况。

●9.2仪器组成 F-P干涉仪的原理

介绍了仪器各部分的组成及F-P干涉仪观测塞曼效应的原理。

●9.3塞曼效应谱线分裂波长差的测量

介绍了塞曼效应测量电子荷质比和测量谱线分裂波长差的方法。

第十章电子自旋共振

电子自旋共振（Electron Spin Resonance，ESR）是指电子自旋磁矩在磁场中因吸收电磁辐射而发生的共振跃迁现象。这种共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁物质中，因此被称为电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance，EPR）；因为分子和固体中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献，所以又被称为电子自旋共振。1924 年美籍奥地利物理学家泡利（Wolfgang Ernst Pauli）首先提出了电子自旋的概念，1945年获得诺贝尔物理学奖。1944年前苏联的扎沃伊斯基（Yevgeny Zavoisky）首次观察到了电子顺磁共振现象。1954 年开始电子自旋共振逐渐发展成为一项新的波谱学技术，被用于科学研究和生产应用。
      波谱学是研究电磁辐射与物质共振相互作用的规律，用以测定分子、原子和核的能级结构。电子自旋共振也称电子顺磁共振是磁共振波谱学的一个分支，电子自旋共振研究的对象是具有不成对电子的原子、分子或固体，例如自由基、三重态分子、过渡金属离子、稀土离子及固体中某些局部晶格缺陷等。ESR技术可以检测浓度极低的不成对电子，精确地分析这些不成对电子所处的位置及其能态等信息。因此，ESR技术是探索物质微观结构和运动状态的重要手段。
      电子自旋共振技术在物理、化学、生物、医药等各个领域获得了广泛的应用。在物理学中，通过ESR技术可鉴别出晶格的位置和顺磁物质的对称性，获得原子的有效质量、核自旋、核磁矩和核四极矩等信息。在化学分析和结构分析方面，通过ESR技术研究谱线的精细结构和朗德因子的不对称性，可鉴别出未知的过渡金属离子或晶格的缺陷，判别同一离子的几种价态。在生物学中，通过自旋标记技术可用ESR来探索生物体系的结构和生物反应的机制。为了探索更多的与物质结构有关的，还经常在不同的温度、频率或微波功率等环境下进行ESR测量。在实际应用方面，ESR技术可用来测量磁场强度、检测杂质和研究辐射损伤等。

●10.1电子自旋共振的基本原理

介绍了电子自旋共振的基本原理、射频电子自旋共振的基本原理、射频电子自旋共振仪器的结构、实验内容。

●10.2射频电子自旋共振

介绍了射频电子自旋共振的基本原理、实验仪器的组成及测量原理。

●10.3微波电子自旋共振

介绍了微波电子自旋共振的基本原理、实验仪器的组成及测量原理。

第十一章脉冲波核磁共振

1、实验简介
 核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是指具有磁矩的原子核在磁场中因吸收电磁辐射引起的共振跃迁现象。从1946年布洛赫（F. Bloch）和珀塞尔（E. M. Purcell）发现核磁共振现象到2015年，已经有15位不同领域的科学家，因对核磁共振技术的发展和应用做出重大贡献而获得了诺贝尔奖。这在诺贝尔奖历史上也是罕见的，也说明了核磁共振技术在科学研究和实际应用中的重要性。核磁共振在测定原子的核磁矩和研究核结构方面是直接又准确的方法，并且具有探测物质内部而不破坏样品的优点，因此已成为物理学、化学、生物学等许多学科中研究物质成分、结构和动态过程变化的重要实验方法和技术工具。核磁共振技术已经应用到科学检测的各个方面，在石油、化工、建材、冶金、地质、环保、纺织、食品、医药、国防等领域广泛应用，在科研和生产中发挥巨大作用。
2、实验目的
“实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。
（1）理解脉冲波核磁共振的基本原理，掌握拉莫尔频率的测量方法。
（2） 理解纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2的物理意义，掌握测量T1谱和T2谱的实验方法和技术。
（3）理解核磁共振成像的基本原理，学会磁共振成像的测量方法。

●11.1脉冲波核磁共振 知识图谱

知识图谱

●11.2核磁共振 射频脉冲对原子核的磁化强度矢量的影响

介绍了什么是核磁共振，核磁共振的应用，射频脉冲对原子核的磁化强度矢量的影响。

●11.3核磁共振的弛豫过程 横向弛豫时间的测量

介绍了核磁共振的弛豫过程的种类，横向弛豫时间的测量原理和测量方法。

●11.4纵向弛豫过程和纵向弛豫时间的测量

介绍了纵向弛豫过程，纵向弛豫时间的测量方法。

●11.5核磁共振成像

介绍了核磁共振成像的原理及实验方法。

●11.6实验仪器介绍和实验操作

介绍了脉冲核磁共振仪器的结构和使用方法。

第十二章光泵磁共振

1、实验简介
光泵磁共振是把光频跃迁和射频磁共振跃迁相结合的一个物理过程，是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼能级间的磁共振技术。通过探测透过样品的抽运光强来获得光泵磁共振信号，从而使信号功率提高了7～8个数量级。因此光泵磁共振在精密测量原子、分子能级的精细和超精细结构，测量弱磁场及原子频标技术等方面有着广泛应用。
2、实验目的
“实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。
（1）观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解。
（2）观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
（3）学会利用光磁共振的方法测量地磁场。

●12.1铷原子基态及激发态能级在磁场中的分裂

介绍了光泵磁共振实验的背景，原子的超精细结构能级，铷原子基态及激发态能级在磁场中的分裂。

●12.2光抽运

介绍了圆偏振光激发铷原子进而发生粒子数反转的原理。

●12.3实验仪器

介绍了实验仪器的各部分组成及调节方法。

●12.4光泵磁共振

介绍了光抽运和磁共振相结合的光泵磁共振过程及利用光泵磁共振测量朗德因子和地磁场的方法。

第十三章磁性材料的磁电阻特性测量

1、实验简介
 磁电阻效应(magnetoresistance effect)是指在外加磁场中材料的电阻率发生变化的现象，也称为磁致电阻变化效应。目前发现的磁电阻效应有正常磁电阻(OMR)效应、各向异性磁电阻(AMR)效应、巨磁电阻(GMR)效应、庞磁电阻(CMR)效应和隧道磁电阻(TMR)效应等。巨磁电阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在显著变化的现象。巨磁电阻效应的发现开启了磁电子新技术的大门——自旋电子学，并很快引发了磁盘的大容量、小型化革命。巨磁电阻效应现已广泛应用于电子、磁信息存储等技术领域。根据磁电阻效应制成的各种磁敏电阻器件可用于角度、转速、加速度、位移等物理量的测量和控制，在家用电器、汽车工业和自动控制技术中得到广泛应用。本实验采用多层膜巨磁电阻、自旋阀巨磁电阻和各向异性磁电阻3种磁电阻传感器，研究各种磁电阻的基本特性和磁电阻传感器的输出特性，并应用磁电阻传感器测量电流。
2、实验目的
“实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。
（1）理解磁电阻效应的基本原理，掌握测量磁电阻特性的实验方法和技术。
（2）测量多层膜巨磁电阻、自旋阀巨磁电阻、各向异性磁电阻的基本特性。
（3）掌握测量磁电阻传感器输出特性的基本原理和实验方法。

●13.1磁电阻效应

介绍了磁电阻效应的原理、磁电阻的种类、正常霍尔效应与正常磁电阻效应。

●13.2磁性材料的磁电阻特性测量方法

介绍了三种磁性材料及其磁电阻特性的测量方法。

第十四章压电陶瓷的压电常数测量

1、实验简介
具有压电效应的材料称为压电材料，可实现机械能和电能的相互转换。压电材料在日常生活及军工和航空、航天等高科技领域都有广泛的应用。常用的压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷两大类。压电陶瓷制造工艺简单、成本低，而且具有较高的力学性能和稳定的压电性能。测量压电陶瓷的压电常数对理解压电效应及应用压电材料都具有重要的意义。
2、实验目的
“实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。
（1）学习压电材料的基本知识，理解压电效应，掌握测量压电常数的原理和方法。
（2）学会迈克尔逊干涉法测量压电陶瓷的压电常数。

●14.1压电陶瓷的压电效应

介绍了压电陶瓷的正压电效应和逆压电效应，压电陶瓷的压电常数的测量方法。

●14.2用迈克耳孙干涉仪测量压电陶瓷的压电常数

介绍了实验仪器各部分组成及压电常数的测量方法。

第十五章超导材料的基本特性测量

1、实验简介 超导电性发现于1911年，荷兰科学家昂纳斯在实现了氦气液化之后不久，发现在温度稍低于4.2K时水银的电阻率突然下降到一个很小值，在1912 ~1913年间昂纳斯又发现了锡在3.8K低温时也有零电阻现象，昂纳斯把金属在低温下的零电阻性质称为超导电性，这一伟大的发现导致了一门学科——超导物理学的诞生。昂纳斯由于液氦的制备和超导现象的研究获得了1913年诺贝尔物理学奖。超导材料具有零电阻效应、完全抗磁性和超导隧道效应等优质特性，在能源、医疗、交通、国防和大科学工程等领域都具有非常广阔的用途和应用前景。例如：在电力能源方面可用于超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导电动机、超导发电机等；在军事领域可用于超导扫雷具、超导电磁炮、超导激光武器、超导磁屏蔽等；超导磁体广泛于探测器、加速器、核磁共振、受控热核反应的装置中；超导量子干涉器件、超导电感器、超导滤波器、超导微带天线、超导计算机、超导陀螺仪、可广泛用于精密测量、通信、导航等领域。 2、实验目的 “实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。 （1）理解超导体的零电阻效应和完全抗磁性，学会判定超导态的基本方法。 （2）学习液氮温区温度的获得、控制和测量的基本方法。 （3）掌握直流电阻法测量超导体转变温度的原理和方法。 （4）掌握交流电磁感应法测量超导体转变温度的原理和方法。

●15.1超导概述

超导现象概述、发现历史、应用，实验目的和预习要求。

●15.2超导材料的基本特性测量的实验原理

超导的基本实验、基本特性及测量原理。

●15.3实验仪器和实验内容

本实验的器材、实验内容、注意事项、思考题等。

第十六章激光拉曼光谱分析

1、实验简介 印度物理学家拉曼（C. V. Raman）和他的学生克利希南（K. S. Krisman）经过6年的实验探索，1928年最终发现：单色光通过液体或气体物质时会有一部分光受到散射，散射光的光谱中除了含有与入射光波长相同的光之外，还含有波长与入射光波长相差一个恒定的数量的光；同一时期苏联物理学家兰兹伯格（G. Landsberg）和曼德尔斯坦（L. Mandelstam）也独立地在固体物质的散射光中发现了这一现象。这种单色光被物质散射后波长发生改变的现象，称为拉曼效应（Raman effect），又称为拉曼散射（Raman scattering）。拉曼因光散射方面的研究成就和拉曼效应的发现荣获了1930年的诺贝尔物理学奖。拉曼散射光谱与散射物质的分子振动和转动、晶格振动等有关，对于散射物质分子键合和结构非常敏感，因而每种物质分子都会有其特有的拉曼光谱。因此，拉曼光谱分析（Raman spectroscopy）成为研究物质分子结构的一种重要方法，可用来研究和分析物质的化学成分、分子结构、形态与相、内压力/应力等。随着激光技术、光电探测技术和计算机技术的发展，拉曼光谱分析技术的水平极大提高，除了拉曼光谱的频率测量之外，还可精确地测量光谱的强度、带形、偏振态等多个参量，出现了共振拉曼散射、受激拉曼散射、反斯托克斯拉曼散射等多项新的光谱测量技术，因此激光拉曼光谱分析广泛应用于化学、物理学、材料学、医学、生命科学等领域。本实验项目重点学习观测拉曼效应的实验方法与技术，掌握激光拉曼光谱分析的基本原理和检测技术。 2、实验目的 “实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。 （1）理解拉曼效应的基本原理，学会观测拉曼效应的实验方法和技术。 （2）理解激光拉曼光谱仪的工作原理，掌握测量拉曼光谱的方法和技术。 （3）理解拉曼光谱的频移、强度、峰位、峰宽、偏振特性的物理意义，学会拉曼光谱光谱的分析方法。 （4）了解拉曼散射研究中获诺贝尔物理学奖的相关内容以及拉曼光谱分析的发展历程，具有勇于探索的创新精神和科技报国的使命担当。

●16.1激光拉曼光谱简介

激光拉曼散射的发现以及发展历程，应用，实验目的等。

●16.2拉曼散射的解释

拉曼散射的经典解释和量子解释，散射原理。

●16.3拉曼散射光的偏振态

拉曼散射光的偏振态和退偏振度。

●16.4拉曼光谱分析

拉曼光谱的分析方法。

●16.5实验仪器和实验内容

拉曼散射仪介绍、实验内容、注意事项、思考题等。

第十七章二氟二氯甲烷分子轨道的从头算法

1、实验简介
宏观物体的运动状态用位置、运动速度和加速度来描述，其运动规律遵循牛顿三定律。但对于质量很小的微观粒子，如分子、原子、电子等，其运动有两个不同于宏观物体的特点：量子化和波粒二象性，这些粒子既具有波动性又具有粒子性，其能量和动量是不连续的，作跳跃式增减，经典力学无法反映微观粒子的这些特点。在20世纪初，为了描述微观粒子的这些运动行为，物理学家们建立了新的科学——量子力学。在量子力学的理论框架下，微观粒子的状态用波函数来描述，波函数的统计解释是波粒二象性的一个体现，波函数随时间的变化即粒子的运动规律满足薛定谔方程。量子力学基本思想的正确性已由各种情况下用此方程得出的结论与实验结果相符而得到了验证。
      分子结构理论的主要任务是根据原子核和电子相互作用及其运动的规律，运用量子力学原理，探求分子的化学组成、结构和性质等化学规律。分子轨道理论是一种广泛应用的分子结构理论，从头计算方法即是在分子轨道理论基础上发展起来的，由于在理论上的严格性和计算结果的可靠性，使它在各种量子化学计算方法中居于主导地位。它不仅是理论化学研究的一种必不可少的理论工具，并且广泛地应用于化学、固体物理学、生物学、医药学等领域。
2、实验目的
“实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。
（1）学习分子轨道理论和从头算法的基础知识，掌握什么是HF理论和DFT方法，什么是基组。
（2）学会分子构型的建立和优化的方法。
（3）掌握分子结构计算的基本方法和相关软件的使用，学会用Chem3D和Gaussian09计算分子轨道波函数、轨道能量和电子密度分布。
（4）学会用不同方法和基组计算结果的准确性分析方法，学会从电子密度分布分析成键特性的方法。

●17.1从头算法和HF方法 分子轨道理论

介绍了分子轨道的从头算法、HF方法理论和分子轨道理论。

●17.2密度泛函理论

介绍了分子轨道从头算法的第二种方法密度泛函理论的基本原理。

●17.3Gaussian和Chem3D

介绍了计算分子轨道结构、能量和电子密度分布的两种软件的使用方法。

第十八章二氧化硅表面润湿特性的分子动力学模拟

1、实验简介 分子动力学模拟(molecular dynamics simulation，MD)是一种结合物理、化学和数学的计算机模拟研究方法。在经典力学理论基础上，1927年玻恩和奥本海默、1929年莫尔斯)以及1930年安德鲁斯等物理学家建立了分子力学方法的基本思想，进而科学家发展了借助经验和半经验参数计算分子结构和能量的力场方法，1957年物理学家阿尔德和温赖特在力场方法的基础上开创了分子动力学方法。分子动力学方法可从微观角度分析分子的结构行为与宏观性质之间的关系，极大地弥补了宏观物理实验对作用机理研究不明确和高成本的缺陷。因此，分子动力学方法一经创立就迅速发展。随着分子模拟理论方法和计算机技术的进步，目前分子动力学方法已经成为从分子水平认识和解决复杂科学和工程问题的一种重要的科学计算研究方法，广泛应用于物理学、化学、材料学、生命科学等诸多研究领域.科学家使用分子动力学方法解决了化学小分子、生物大分子模拟计算问题，并分别获1998年、2013年的诺贝尔化学奖。本实验重点学习分子动力学模拟的基本原理和基本方法,学会用分子动力学模拟研究润湿性的 LAMMPS实现方法和技术。 2、实验目的 “实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。 (1)分子动力学方法的基本思想和基本方法是什么? (2)分子动力学模拟过程中输出的粒子运动轨迹是什么? (3)用分子动力学方法计算宏观物理量时模拟体系需要达到什么状态? (4)什么是润湿性? 模拟实验中用哪一个物理量表征润湿性? (5)模拟实验中可用哪些方法计算接触角? 各自如何实现?

●18.1分子模拟技术简介

分子模拟技术简介、应用，实验目的等。

●18.2分子动力学模拟的基本思想

分子动力学模拟的基本原理、运行流程、势函数。

●18.3岩石表面润湿性和实验内容

岩石表面润湿性的基本概念、表征参量和计算方法，实验内容。

●18.4操作指导

实验软件简介、操作方法。

第十九章玻尔兹曼模拟方法

格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method，LBM），突破了传统计算方法的理论框架，反映了科学研究的一个基本道理：守恒是物质世界最根本的规律，指导着物质世界的运动和发展，表面对立的双方存在着一定的内部联系，可以通过某种方式达到辨证的统一。与传统的计算流体力学方法（有限单元法、有限差分法等）相比，格子玻尔兹曼方法的优点主要有：
（1）算法简单，简单的线性运算加上一个松弛过程，就能模拟各种复杂的非线性宏观现象；
（2） 能够处理复杂的边界条件；
（3）格子玻尔兹曼方法中的压力可由状态方程直接求解；
（4）编程容易，计算的前后处理也非常简单；
（5）具有很高的并行性；
（6）能直接模拟有复杂几何边界的诸如多孔介质等连通域流场，无须作计算网格的转换。
正是由于具有这些优势，格子玻尔兹曼方法自诞生之日起就受到包括物理学家、数学家、计算机专家和其他领域的科学家的广泛关注。

●19.1二维流体流动的格子玻尔兹曼模拟

介绍了流体流动常用的模拟方法，利用格子玻尔兹曼方法研究二维流体流动的计算机模拟方法。

第二十章永磁体磁场分布特性的有限元法模拟

1、实验简介 有限元法属于求解微分方程的频域方法，采用微分矩阵法数值计算，需要同时求解和存储整个区域内电磁场，具有无条件稳定性、易求解复杂结构、计算精度高、内存消耗大、计算速度慢的特点，主要适用于复杂结构的窄带问题的精确求解。矩量法属于求解积分方程的频域方法，采用格林函数作为基函数求解电磁场，具有无条件收敛性、内存消耗小、计算精度高、计算速度慢的特点，主要适合于含有精细结构的电小尺寸问题的精确求解。本实验项目重点学习计算电磁学有限元法的基本原理，学会静磁场问题有限元法数值模拟分析的实现方法和技术。 2、实验目的 “实验目的”是整个实验的灵魂、核心和出发点，在整个实验过程中都需要认真反复阅读，并逐步体会和领悟：实验的所有环节是如何为了这个“实验目的”、围绕着这个核心来展开的。 （1）理解计算电磁学的基本概念和电磁场的基本数学模型。 （2）掌握计算电磁学有限元法数值分析的基本方法。 （3）掌握静磁场问题有限元法数值模拟的基本原理。 （4）学会用有限元法模拟计算永磁体磁场分布的基本方法和技术。 （5）学会永磁体磁场模拟计算结果的可视化处理分析方法。

●20.1计算电磁学和有限元法介绍

计算电磁学计算方法介绍、有限元法介绍、实验目的。

●20.2实验原理

电磁场求解的基本数学模型、数值分析的基本思路、永磁体磁场特性的有限元数值模拟。

●20.3实验器材和实验内容

模拟软件介绍，实验内容，预习问题。

●20.4操作指导—模型构建

模型构建方法的操作指导。

●20.5操作指导—磁场分布计算

磁场分布计算的操作指导。