【现货速发】近代物理实验

自20世纪以来，近代物理以磅礴之势登上世界历史舞台，突破了千百年的传统观念，改变了人类生活，开辟了崭新的时代！从经典物理的两朵乌云，到相对论和量子力学的诞生，人类对自然的认识发生了质的飞跃。从宇宙星辰的宏观运动，到分子、原子、粒子的微观运动，都彻底摈弃了经典物理学的观念。

物理学的革命性发展，影响了整个自然科学，进而推动了科学技术的全面发展。尤其以量子力学为基础的电子学，更使人类社会进入了新时代。以量子通信和量子计算以及人工智能等为代表的当代科学技术的迅猛发展，更出现了所谓“第二次量子力学革命”的预言。

20世纪20年代诞生的量子力学，给人们打开了微观世界的大门，往往被称为“次量子力学革命”。

量子力学有着一些奇特的性质，例如波函数的概率幅、波粒二象性、薛定谔猫、量子纠缠等。而围绕着这些奇特性质，有着各种疑惑和解释。

1935年，爱因斯坦等提出所谓EPR(EinsteinPodolskyRosen)的思想实验，开启了关于量子纠缠态即量子非局域性的探索。这个思想实验进一步启发了贝尔(J.Bell)提出贝尔不等式，将这些思想性的实验付诸于真实的实验。在2015 年，荷兰研究组利用两块相距1.5 km的金刚石色心中电子自旋，完成了所谓“无漏洞”的贝尔不等式的验证。这场爱因斯坦和玻尔之间的学术争论，揭示了量子世界更为深刻和基础的性质：量子非局域性。可以预想，就像当年关于黑体辐射的深入研究，导致了量子力学的次革命，对于这些量子世界的奇特性质的更深入的探索，将导致量子力学的第二次革命！次量子革命之后，量子力学应用到各个领域，已经取得了非常丰硕的成果。而第二次量子革命，物理学家希望彻底弄明白量子力学的奇特性质到底为什么是这样。特别是关于量子力学为奇特的属性之一：量子非局域性，它的根源是什么？我们在近代物理实验中试图做一点初步的尝试，激发起同学们的好奇心，鼓励他们去追踪物理学基本的目标： 研究物质运动一般规律和物质基本结构。

大学本科物理的教学，以经典物理为基础，重点在近代物理，尤其是建立在量子力学基础上的各门学科，包括粒子物理学、原子核物理学、原子与分子物理学、固体物理学、凝聚态物理学、激光物理学、等离子体物理学、生物物理学等。实验物理的教学也相应地分为普通（即经典）物理和近代物理两个部分。

根据目前清华大学实验物理教学中心的实际教学内容，本书分为以下6个部分：

①原子物理和量子物理；②现代光学及应用； ③凝聚态物理与实验技术； ④等离子体物理；⑤核物理及粒子物理与技术； ⑥实验技术与综合。这种划分，是本实验室几十年来教学科研建设的历史发展之自然结果，它与物理学的二级学科大致并行，也与清华大学物理系的科研教学大致吻合，一方面尽可能涵盖近代物理的主要分支和物理学发展过程中具有里程碑意义的重要实验，也试图反映当代物理学发展的前沿的成果，例如量子纠缠实验。同时特别把实验技术独立列出，体现物理学是实验科学、与技术紧密相关的特点。具体来说，第1部分“原子物理和量子物理”代表了在量子力学的起源和发展中一些核心的相关实验，例如磁共振、光吸收和电子衍射，都是量子化能级间跃迁和粒子波粒二象性的表征，同时也包含了像量子纠缠这样前沿和深奥的课题。第2部分“现代光学及应用”，也可以说是量子光学，基本都与激光有关，也包括光学信息处理。2018年的诺贝尔物理学奖正是表彰美国和加拿大三位科学家在激光物理学领域的突破性贡献。许多人对光学在21世纪的发展和应用寄予厚望。第3部分“凝聚态物理与实验技术”，这是物理学的分支，也是与人类实际生活关系密切的学科。在凝聚态物理学中，1980年发现的量子霍尔效应是一个具有历史意义的里程碑，从此各种量子效应在凝聚态中大显身手，例如本书所包含的巨磁电阻效应及其应用、高温超导体、半导体、太阳能电池和燃料电池、磁晶和液晶以及物相分析等。第4部分“等离子体物理”，专注于气、液、固三种物质形态之外的第四种物质形态：等离子体。第5部分“核物理及粒子物理与技术”，介绍X射线、γ射线等在核物理研究中各种能谱仪器的应用，以及一些放射现象。第6部分“实验技术与综合”，包括近代物理实验中经常使用的微弱信号处理、真空和薄膜制备，以及质谱、超声、微波和扫描隧道显微镜等技术手段。

本书由清华大学实验物理实验教学中心组织编写，得到中心主任张留碗的大力支持。中心前主任葛惟昆和近代物理实验教学负责人王合英共同主编，参加编写的有近代物理实验室主任陈宜保，以及宁传刚、张慧云、侯清润、陈宏、孙文博、茅卫红、郑盟昆、王秀凤等各位老师。具体编写者的姓名列在各个实验的文字部分之后。

囿于经验及知识水平，本书偏颇或疏漏之处难免，敬祈指正！

葛惟昆

2020年10月于清华园

本书是在清华大学物理系开设的近代物理实验课程的基础上编写的。全书包括原子物理，现代光学与信息处理，凝聚态物理与技术，真空物理与技术，等离子体物理与技术，磁共振，现代实验技术及其他方面的实验。每个实验项目中比较详细叙述了有关的物理原理和实验方法，以利于自学。

葛惟昆，北京大学物理系毕业， 英国曼彻斯特大学博士， 香港科技大学荣休教授。 专著两部， 译著两部， 论文 200 余篇。  王合英，天津大学物理系博士，至今在清华大学物理系从事近代物理实验教学工作15年。

第1部分原子物理和量子物理

实验1光泵磁共振实验

实验2铷原子饱和吸收谱

实验3电子自旋共振和铁磁共振

实验4脉冲核磁共振及成像系列实验

实验5量子纠缠实验

实验6磁光阱实验

实验7电子衍射

第2部分现代光学及应用

实验8氦氖激光器放电条件的研究

实验9半导体激光器光学特性测量

实验10半导体泵浦固体激光器

实验11激光拉曼散射

实验12光学信息处理

实验13傅里叶变换全息资料存储

实验14激光干涉测量振子速度

第3部分凝聚态物理与实验技术

实验15磁光效应

实验16巨磁电阻效应及其应用

实验17反常霍尔效应

实验18石榴石材料中的磁晶各向异性及磁畴的观测

实验19超磁致伸缩材料性能测量

实验20高温超导导线的临界电流及磁场的影响

实验21半导体pn结电容电压的测量

实验22半导体Si(硅)少数载流子寿命测量

实验23液晶综合实验

实验24太阳能电池和燃料电池综合实验

实验25多晶X射线衍射的物相分析及其应用

第4部分等离子体物理

实验26直流辉光等离子体气体放电

实验27大气压介质阻挡放电特性研究

第5部分核物理及粒子物理与技术

实验28NaI(Tl)单晶γ谱仪

实验29能量色散X射线荧光分析

实验30X射线技术系列教学实验

实验31缪子寿命和衰变能谱的测量

第6部分实验技术与综合

实验32扫描隧道显微镜

实验33真空的获得和测量

实验34四极质谱仪与气体成分分析

实验35真空热蒸发镀膜

实验36磁控溅射镀膜

实验37微波实验

实验38超声原理与应用

实验39锁相放大器的原理

本书是在清华大学物理系开设的近代物理实验课程的基础上编写的。全书包括原子物理，现代光学与信息处理，凝聚态物理与技术，真空物理与技术，等离子体物理与技术，磁共振，现代实验技术及其他方面的实验。每个实验项目中比较详细叙述了有关的物理原理和实验方法，以利于自学。

葛惟昆，北京大学物理系毕业， 英国曼彻斯特大学博士， 香港科技大学荣休教授。 专著两部， 译著两部， 论文 200 余篇。  王合英，天津大学物理系博士，至今在清华大学物理系从事近代物理实验教学工作15年。