近代物理实验及其数据分析方法.pdf

普通高等教育大学物理规划教材 近代物理实验及其 数据分析方法 郑勇林 杨 阔 葛泽玲 编著 近代物理实验 234内 容 简 介 本书是一部理论和实验密切结合的近代物理实验理论及实验数据分析方法的专业书，包含近代物理实验及相关领域最新的研究成果。全书分为三部分：第一部分从原子、分子层面介绍了物质性质的理论；第二部分包含 13 个近代物理、薄膜材料制备和检测方面的实验，并对每一个实验的原理、特性和设计方法、数据处理进行了讨论；第三部分为拓展阅读，介绍了相关的经典物理实验方法以及近代物理理论在科学和技术上较新的应用及理论成果。本书兼顾不同层次的读者群，可作为大专院校材料、工业制造、应用物理及师范（物理）、医学等学科专业近代物理实验、固体材料等课程的教学用书，也可供材料相关专业的研究生、工程技术人员阅读、参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目(CIP)数据 近代物理实验及其数据分析方法/郑勇林，杨阔，葛泽玲编著北京：电子工业出版社，2016.10 ISBN 978-7-121-29977-3 I 近 II 郑 杨 葛 III 物理学实验数据分析方法高等学校教材 IV O41-33 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2016)第 232846 号 策划编辑：张小乐 责任编辑：张小乐 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871092 1/16 印张：20 字数：520 千字 版 次：2016 年 10 月第 1 版 印 次：2016 年 10 月第 1 次印刷 定 价：49.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：(010)88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：(010)88254462，。前 言 本书作者长期从事近代物理实验及材料领域的研究。本书是集作者多年科学研究、教学讲义、企业生产经验，同时在参考了国内外先进的同类书籍后撰写而成的。书中首先讨论了近代物理实验中数据测量的误差问题，给出了实验数据的获得及检测的一些主要方法、技术和适用条件。第一部分，第 1 章至第 4 章讨论了物质的结构和各种物理性质；第 5 章至第 7 章从理论和实验两方面，讨论了微波理论及技术、真空理论及获得真空的技术、X 射线的理论等内容。第二部分从物理的探索发现和研究过程、从材料探索研究的角度、从实验技能技术的角度选择和设计了 13 个实验。其中有著名的构思巧妙、方法简洁、富有启发性的密立根油滴实验、夫兰克-赫兹实验、塞曼效应实验等；实验中也涉及物质相互作用过程和机理的研究。例如，利用 X 射线技术对物质结构的测定及检测等内容；实验还涉及新型磁性材料的制备技术和新型磁性材料性质机理的研究。第三部分，着重从实验过程、实验方法及数据处理角度，介绍了实验数据的分析处理方法，并介绍了相关实验研究领域中的研究成果，同时还以范文的形式，对实验过程、方法进行了分析讨论。例如，对应真空镀膜实验，详细研究了“亚稳态 Fe/Cu 颗粒膜脱附激活能分析”；在用 X 射线衍射仪进行物相分析中，详细研究了“Fe 含量和粒径对 Fe/Cu 颗粒膜结构和磁性的影响”。希望通过这种方式，让读者从中学习一些科学研究方法。本书有如下特点：（1）强调基本原理和应用，全书内容以讲清物理概念为主，避免过多地使用数学。介绍方法时，以基本原理和如何应用为主，让读者在最短的时间内，学到近代物理实验分析的方法。（2）本书适应面广，书中涉及的实验理论和实验个数相对较多，作为教材使用时，教师（或读者）可根据实际情况设计为一学期的课程（4864 学时）或半学期的课程（2432 学时），实验内容也可根据不同专业作不同的选择。（3）书中在实验报告上对学生怎样读书、怎样查资料、怎样撰写实验科学论文提出了一定要求，并对应实验在第三部分中给出了研究范文，从而突出理论与工程和再学习研究的联系。在书中还增加了一些实验探索提问，增加了与工程相结合的实验，这是为了在实验研究中能更好地帮助读者理论联系实际和指导读者充分地阅读参考文献。通过实验，既能学到理论知识和物理研究方法，又能体验到工程实践。通过实验和探索，可使学生的科研能力和独创精神得到更大的提高。（4）本书内容新颖、参考文献齐全。全书突出工程意识，突出问题探索过程中的思维方法，突出实验的技术性，突出实验的技能性，突出现代高新技术。在每一章中列出了近十年国内相关领域的参考文献与专著。为了方便各专业学生，本书未对学生的基础知识做特别的要求，涉及的相关知识会在书中介绍。（5）学生试验时要求阅读有关参考资料，回答有关实验提问。实验前要求写出实验研究课题、可行性报告和预期结果，经指导老师或工程人员讨论确认后方可进行实验；实验后要 IV求按照实验科研论文规范写出完整的实验报告。本书在编排上吸收了国内相应教材的特色，全书贯穿“做好基础实验，模拟科研实验，逐步地进行科学实验与探索研究”。本书主要由郑勇林、杨阔、葛泽玲撰写，在出版过程中谭健敏、沈安国、杨敏、孙婷雅、李泽涛等参与了部分内容的撰写。本书的责任编辑张小乐也提出了很多好的修改建议，并对全书文字做了非常精细的校对。本书在撰写过程中得到了西南大学郑瑞伦教授、西南应用磁学研究所沈安国高级工程师的关注和大力支持，得到了成都大学汪令江教授、长江师范学院周晏副教授的关心和鼓励，在此向他们表示诚挚的谢意。同时特别感谢电子工业出版社给予的大力支持和帮助。成都大学、阿坝师范学院科技处、四川省教育厅科研项目（13ZB0034）为本书的撰写出版提供了经费，在此一并致谢。本书还借鉴了参考文献中的一些观点和图片，在此向有关作者表示衷心感谢。由于笔者学识有限，书中难免有错误和不妥之处，恳望同行和读者斧正。2016 年 9 月于成都碧落湖 目 录 第一篇 理 论 部 分 第 1 章 数据处理 1 1.1 随机变量与概率（密度）函数 1 1.1.1 系统误差与偶然误差 1 1.1.2 随机变量、总体及样本 2 1.1.3 概率（密度）函数 2 1.1.4 随机变量分布的数字特征量 4 1.2 物理量中几种常见的概率分布 6 1.2.1 二项式分布 6 1.2.2 泊松分布 6 1.2.3 正态分布和中心极限定理 8 1.2.4 样本的算术平均值分布及其方差、标准误差 11 1.2.5 正态样本测量结果的表示绝对误差和相对误差 12 1.2.6 样本的方差（标准偏差）13 1.3 测量结果及其参数估计 14 1.3.1 点估计 15 1.3.2 区间估计 17 1.4 测量数据的合理性检验 20 1.4.1 参数的显著性检验 20 1.4.2 概率分布的检验（2皮尔逊检验）22 1.5 实验结果的表示与间接测量中的误差传递 24 1.5.1 误差与不确定度 24 1.5.2 直接测量数据的处理步骤 25 1.5.3 间接测量结果的不确定度合成 26 1.6 曲线拟合 28 1.6.1 最小二乘法和数据曲线拟合 28 1.6.2 线性与非线性曲线拟合 30 1.6.3 多变量数据拟合 32 第 2 章 原子物理 34 2.1 单原子的轨道角动量、自旋角动量、能级的精细结构 34 2.1.1 轨道角动量与轨道磁矩 34 2.1.2 电子自旋角动量与自旋磁矩 36 VI2.1.3 电子自旋-轨道耦合与总角动量量子数 j 37 2.1.4 电子轨道-自旋耦合对能级的影响 37 2.2 L-S 耦合 39 2.2.1 L-S 耦合原理 40 2.2.2 L-S 耦合的能级次序与间隔 42 2.2.3 多电子原子跃迁的选择定则（L-S 耦合）42 2.3 原子磁矩 43 2.3.1 单电子原子总磁矩 44 2.3.2 多电子原子总磁矩 44 2.4 能级的塞曼分裂和塞曼效应 45 2.4.1 能级的塞曼分裂 45 2.4.2 塞曼效应 46 2.5 原子能级的超精细结构 49 2.5.1 核自旋效应 49 2.5.2 核电四极矩效应 52 2.5.3 同位素效应 56 第 3 章 物质磁性 57 3.1 磁性材料的磁学特征 57 3.2 磁学的基本量及单位制 59 3.3 磁性物质分类 61 3.3.1 抗磁性物质 61 3.3.2 顺磁性物质 62 3.3.3 铁磁性物质 64 3.3.4 反铁磁性和亚铁磁性物质 65 第 4 章 永磁材料 67 4.1 永磁材料磁性特征 67 4.1.1 永磁材料的重要指标 67 4.1.2 新型结构稀土永磁材料 71 4.2 提高永磁体性能的途径 72 4.2.1 提高材料剩磁（Br）的方法 72 4.2.2 提高矫顽力（Hc）的方法 72 4.3 稀土永磁材料的制备技术 74 4.3.1 烧结稀土永磁材料的制备技术 74 4.3.2 黏结稀土永磁材料及其制备技术 78 4.3.3 热压-热变形稀土永磁材料的制备技术 79 4.3.4 细微磁粉颗粒的制备 79 4.4 烧结 Sm-Co 永磁材料 80 4.4.1 低温度系数烧结 Sm-Co 永磁材料 81 VII 4.4.2 烧结 217 型 Sm-Co 永磁材料的关键制备技术 83 第 5 章 微波技术 85 5.1 微波及其技术的应用 85 5.2 微波振荡器 86 5.2.1 谐振器的电磁能量关系及品质因数 Q 87 5.2.2 体效应管（耿氏二极管）振荡器 89 5.2.3 矩形谐振腔 91 5.3 矩形截面波导中的 TE10、TE102波 93 5.3.1 矩形截面波导中的 TE10波的电磁场结构 93 5.3.2 TE10波的传输特性 94 5.3.3 矩形截面波导中 TE102波的电磁场结构 96 5.3.4 影响腔体谐振频率的因素 96 5.3.5 传输线上的反射和驻波 97 5.4 电子自旋共振的基本原理 98 5.4.1 磁场和磁矩 98 5.4.2 自旋弛豫 99 第 6 章 真空技术 104 6.1 真空的基本性质 104 6.1.1 真空的基本性质 104 6.1.2 真空状态下气体分子的统计规律 105 6.1.3 物质的蒸发速度 106 6.2 真空的应用 106 6.2.1 低真空（11051102 Pa）106 6.2.2 中真空（11021101 Pa）107 6.2.3 高真空（11011106 Pa）107 6.2.4 超高真空（110611012 Pa）107 6.3 真空的获得 107 6.3.1 真空的获得 108 6.3.2 2X-2 型旋片式真空机械泵 108 6.3.3 油扩散泵 110 6.4 真空的测量 110 6.4.1 热偶真空规 111 6.4.2 热阴极电离真空规 111 6.4.3 SG-3 型复合真空计 112 6.4.4 冷阴极电离真空计 112 6.4.5 真空规的标定 113 6.5 真空系统的检漏 113 6.6 真空材料的清洁处理 113 VIII第 7 章 X 光技术 115 7.1 X 射线衍射的晶体学基础知识 115 7.1.1 晶体和非晶体 115 7.1.2 十四种布拉维格子和七大晶系 118 7.1.3 倒格子 121 7.2 X 射线基础 124 7.2.1 概述 124 7.2.2 X 射线的产生 126 7.2.3 X 射线光谱 129 7.3 X 射线与物质的相互作用 131 7.4 X 射线的衍射 133 7.5 X 射线的检测 136 7.6 X 射线的防护 141 7.6.1 X 射线的防护 141 7.6.2 X 射线的防护标准 141 第二篇 实 验 部 分 实验 1 密立根油滴实验 142 实验 2 弗兰克-赫兹实验 147 实验 3 塞曼效应 153 实验 4 微波电子自旋共振实验 160 实验 5 铁磁共振实验 167 实验 6 漫反射全息照相 176 实验 7 光信号的空间频谱与空间滤波 181 实验 8 烧结 217