原子能级粒子数热布局虚拟仿真实验(2)(1)
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哈***
实 验 报 告
课程名称： 创新实验
专 业： 城市地下空间工程
班 级： 城市地下空间19-3
学 号： ***
姓 名： 魏某某
实验类型
虚拟仿真实验
实验名称
原子能级粒子数热布局实验
仪器设备
热台控制器、加热台、激光控制器、激光器、透镜、光谱仪（光电倍增管）、高压源、数据采集卡、计算机
实验地点
实验日期
2021.06.29
实
验
目
的
（1）通过原子热耦合能级荧光光谱的观察，让学生间接感受到能级粒子数随温度的变化。（2）深入理解能级粒子数玻尔兹曼分布函数，掌握荧光强度、粒子数密度、能级间隔、以及温度间的关系。
实
验
内
容
（1）测量热耦合能级粒子数比随温度的变化规律。（2）根据荧光强度比和温度的关系，测量热耦合能级的能级间隔。（3）根据荧光强度比和能级间隔，测量室温，并计算室温测量的相对灵敏度和绝对灵敏度。
实
验
原
理
大量原子会互相碰撞, 彼此交换能量 . 有些会被激发到高某某, 有些在低能级 . 在达到平衡时, 在各个状态的原子数 Ni 决定于状态的能量 Ei 和温度 T, 它们的关系可表达如下[1] : (1)式中 k 是玻耳兹曼 Boltzmann) T 是这群原子所在处的绝对温度 . 1）式表达的是玻尔兹曼分布。如果几个状态具有相同的能量，那么这一能级是简并的 . 实际包括了几个状态 . 1) 应改为： (2)式中又乘一因子 gi , 这是一个统计权数, 其数值等于简并在一起的状态数 . 1) 2)表示平衡态时各状态的粒子数分布，能级愈高, 原子愈少 . 在基态上的原子最多。原子被激发到高某某，可能自发地从高某某跃迁到低能级，并向外辐射能量。跃迁的粒子数dNi与跃迁几率Ai1，能级粒子数Ni，以及dt成正比，即 ， (3) ， (4)辐射的荧光强度正比于粒子数的变化率[2]，即 ， (5) 其中，h为普朗克常数，ν是频率。如果能级粒子数满足玻尔兹曼分布热统计分布规律，且两个能级为热耦合能级，将两个能级向下能级跃迁所辐射的荧光强度比定义为 FIR，那么强度比值和温度之间应该满足[2]： (6)其中，B为常数，。可通过公式（6）推导出温度，温度。对其测温性能进行评价，通常情况下用两个指标进行评定，分别是测温绝对和相对灵敏度。测温绝对灵敏度（absolute sensitivity，记为 Sa），Sa 指的是荧光强度比值在某一给定温度处的变化的绝对大小，其定义如下： , (7)其次是相对灵敏度（relative sensitivity，记为 Sr），Sr 指的是荧光强度比值在某一给定温度数值相对于本身变化的大小，其定义如下： . (8)
实
验
步
骤
在所有设备的电源都处于关闭状态下，连接光谱仪，光电倍增管，数据采集卡，以及电脑。检查仪器线路连接是否正确；将CaWO4:Yb3+-Er3+样品放置于热台的样品室内，固定好，封闭样品室；搭建光路。使样品室正对光谱仪狭缝，将透镜放置于光谱仪和样品室之间。同时，980 nm激光器斜照射样品室；调节光路。调整激光器、热台、透镜与光谱仪狭缝中央在同一直线同一高度处。打开980 nm激光电源，使980 nm激光照射到热台的样品上，微调节透镜的位 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 向基态能级4I15/2 跃迁，产生的荧光强度，观察2H11/2、4S3/2能级粒子数随温度的变化；记录510 nm-537 nm和537 nm-570 nm范围的光谱面积，计算不同温度下的荧光强度比；根据荧光强度比公式和不同温度下的荧光强度比，拟合出系数B和热耦合能级的能级宽度△E。测量室温下的荧光光谱，已知系数B和热耦合能级的能级宽度△E，根据荧光光谱强度，测量室温温度；计算测量室温温度的绝对灵敏度。
实
验
原
始
记
录
及
数
据
处
理
结
果
与
结
论
成绩
指导教师
张某某
注：本实验报告可加页，同学们可根据需要自行调整。
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