专利名称：测量原子永久电偶极矩的方法
技术领域：
本发明属于一种测量原子永久电偶极矩的方法。
背景技术：
原子是否具有永久电偶极矩是物理学的基本问题之一，一方面，科学界普遍认为，原子由于正负电荷中心重合，它不具有永久电偶极矩，因而所有单原子气体都是非极性电介质。另一方面，自从1964年发现微观粒子领域宇称和时间反演对称破坏以后，为了探究其原因，很多新理论都以原子应该具有微弱的永久电偶极矩为前提。因此，对于测量原子的永久电偶极矩国际物理学界极为重视，但一直未取得突破。比如，已报道铯原子永久电偶极矩的最好结果为(-1.8±6.7±1.8)×10-24e.cm(见Phys.Rev.Lett，1989，63，965-968)，先不讨论大小是否正确，单从这个表达式看，测量误差(第二项)比测量平均值(第一项)还大几倍，误差本身又含误差(第三项)，因此，这个结果是没有科学价值的。原因在于使用的仪器虽然精密，但采用的是间接测量的方法，中间环节太多，很多影响实验结果的因素难以估计。同时，他们无法精确测出单位体积内原子数目，只是从强噪声背景中读取讯号，测量讯号与仪器灵敏度同数量级，实验可信度低。
技术内容本发明的目的是提供一种测量原子永久电偶极矩的方法，将待测原子气体充人圆柱玻璃电容器中并保持气体密度一定，在高于熔点的某一温度下，通过测量不同电压下原子气体的电极化率来测量原子的永久电偶极矩。
本发明包括如下步骤a、在室温至300℃内，将圆筒式测量单原子气体介电系数的电容器抽真空至气压小于10-5Pa，用数字电容表测量出真空电容Co，数字电容表的性能应满足灵敏度不低于0.1PF，测量精度不低于0.5％，测量电压不高于1.5V；b、向已抽真空的电容器注入待测原子蒸气，使容器内没有剩余的液态物质，保持容器内原子为气态；c、将电容器放入控温炉中，使之始终保持在高于熔点30℃～60℃范围内的任一温度；d、将电容器C与1.5C至8C的标准电容Cd连接，电容器C和标准电容Cd分别与交流信号源S连接，再与双踪示波器M连接，C和Cd之间有导线与双踪示波器M连接，C和Cd上的信号电压Vp(t)＝Vposinωt和Vq(t)＝Vqosinωt，具有相同的频率并由双踪示波器M进行观察，调整信号频率，当两信号电压的相位相同，这时可开始测量，Vqo调节范围至少不低于0至400V，在不同电压下，电容C可由下式测出(Vq-Vp)/Vp＝C/CdC＝(Vqo/Vpo-1)Cd(1)e、需测量的数据如下Vqo可从0.1V开始进行测量，当Vqo小于1V时，电容测量值C比Co大得多且电容近似不变，记下这一电容值C1，随着电压增加，电容C会逐渐变�。钡缛軨≤1.1Co时，记下这时的电压值V2＝Vpo和电容C2，同时测量实验时的温度T，两圆筒的间距H，极板面积S＝2πr1，l为金属圆筒长度；f、忽略原子的感应电偶极矩，原子气体的电极化率为x＝NPL(a)/εoE (2)L(a)＝(ea+e-a)/(ea-e-a)-1/a (3)式中P代表原子的永久电偶极矩，N为单位体积内原子数，εo为真空介电系数，E为电场强度，L(a)为朗之万函数，其中a＝PE/KT，K为玻尔兹曼常数，当a＜＜1时，L(a)≈a/3，当a＞＞1时，L(a)≈1，x＝ε-1＝C/Co-1，E＝V/H和Co＝εoS/H，代入(2)式，C-Co＝SNPL(a)/V (4)当Vpo＝V1较小时，符合a＝PV1/KTH＜＜1条件，此时C1＝Co+SNP2/3KTH (5)当Vpo＝V2较大时，符合a＝PV2/KTH＞＞1条件，此时C2＝Co+SNP/V2(6)联立求解P＝3KTH(C1-Co)/V2(C2-Co) (7)气体密度为 N＝C2V2/SP(8)
相对误差ΔP/P＝ΔT/T+ΔH/H+ΔC1/C1+ΔC2/C2+ΔV2/V2(9)P＝P±ΔP(库仓·米) (10)这样就测出原子永久电偶极矩的大小。
本发明步骤合理，是一种直接测量方法且实验装置相对简单。该方法可以对原子永久电偶极矩进行精确测量，并能确定误差范围。所得结果比国际上的测量结果精确。
图1是本发明测量原子永久电偶极矩装置的结构图；图2是本发明的连结线路图。
具体实施例方式
图1是本发明所采用的测量原子永久电偶极矩装置的结构图，这个装置是一个外形象杜瓦瓶式封闭玻璃容器，紧贴容器内壁有两个同轴金属圆筒组成一个圆柱电容器，内外圆筒的半径分别用r和R表示，因为两圆筒间的距离H远远小于内圆筒半径r，即H＝R-r＜＜r，所以这个圆柱电容器可近似看作平板电容器电容来计算。首先将此容器在20℃-250℃，抽真空至气压小于10-5Pa(巴)，用DM-6013A数字电容表测量真空电容Co，灵敏度为0.1PF，测量精度为0.5％，测量电压为1.2V；向已抽真空的测量单原子气体介电系数的容器注入待测原子蒸气，原子蒸气为铯原子；将电容器放入控温炉中，使之始终保持在高于熔点50℃；如图2所示，电容C代表已充气体的电容器电容，Cd是用作测量基准的标准电容，将电容器C与1.5C-8C的标准电容Cd连接，电容器C和标准电容Cd分别与交流信号源S连接，再与双踪示波器M连接，C和Cd之间有线与双踪示波器M连接，C和Cd上的信号电压Vp(t)＝Vposinωt和Vq(t)＝Vqosinωt，具有相同的频率并由双踪示波器M进行观察，当频率高于800Hz时两信号电压的相位相同，这时可在5000Hz处进行测量。Vqo为0至400V，在不同电压下，电容C可由(Vq-Vp)/Vp＝C/CdC＝(Vqo/Vpo-1)Cd(1)需测量的数据如下Vqo可从0.1V开始进行测量，当Vqo小于1V时，电容测量值C比Co大得多且电容近似不变，记下这一电容值C1，随着电压增加，电容C会逐渐变�。钡缛軨≤1.1Co时，记下这时的电压值V2＝Vpo和电容C2，同时测量实验时的温度T，两圆筒的间距H，极板面积S＝2πr1，l为金属圆筒长度，代入下列公式可计算原子的感应电偶极矩。
忽略原子的感应电偶极矩，原子气体的电极化率为x＝NPL(a)/εoE(2)L(a)＝(ea+e-a)/(ea-e-a)-/a(3)式中P代表原子的永久电偶极矩，N为单位体积内原子数，εo为真空介电系数，E为电场强度，L(a)为朗之万函数，其中a＝PE/KT，K为玻尔兹曼常数，当a＜＜1时，L(a)≈a/3，当a＞＞1时，L(a)≈1，x＝ε-1＝C/Co-1，E＝V/H和Co＝εoS/H，代入(2)式，C-Co＝SNPL(a)/V (4)当Vpo＝V1较小时，符合a＝PV1/KTH＜＜1条件，此时C1＝Co+SNP2/3KTH (5)当Vpo＝V2较大时，符合a＝PV2/KTH＞＞1条件，此时C2＝Co+SNP/V2(6)联立求解P＝3KTH(C1-Co)/V2(C2-Co) (7)气体密度为N＝C2V2/SP (8)相对误差ΔP/P＝ΔT/T+ΔH/H+ΔC1/C1+ΔC2/C2+ΔV2/V2(9)P＝P±ΔP(库仓·米) (10)这样就测出原子永久电偶极矩的大小。
权利要求
1.一种测量原子永久电偶极矩的方法，其特征是包括如下步骤a、在室温至300℃内，将圆筒式测量原子气体介电系数的电容器抽真空至气压小于10-5Pa，用数字电容表测量出真空电容Co，数字电容表的性能应满足灵敏度不低于0.1PF，测量精度不低于0.5％，测量电压不高于1.5V；b、向已抽真空的电容器注入待测原子蒸气，使容器内没有剩余的液态物质，保持容器内原子为气态；c、将电容器放人控温炉中，使之始终保持在高于熔点30℃～60℃范围内的任一温度；d、将电容器C与1.5C-8C的标准电容Cd连接，电容器C和标准电容Cd分别与交流信号源S连接，再与双踪示波器M连接，C和Cd之间有导线与双踪示波器M连接，C和Cd上的信号电压Vp(t)＝Vposinωt和Vq(t)＝Vqosinωt，具有相同的频率并由双踪示波器M进行观察，调整信号频率，当两信号电压的相位相同，这时可开始测量，Vqo调节范围至少不低于0至400V，在不同电压下，电容C可由下式测出(Vq-Vp)/Vp＝C/CdC＝(Vqo/Vpo-1)Cd(1)e、需测量的数据如下Vqo可从0.1V开始进行测量，当Vqo小于1V时，电容测量值C比Co大得多且电容近似不变，记下这一电容值C1，随着电压增加，电容C会逐渐变小，当电容C≤1.1Co时，记下这时的电压值V2＝Vpo和电容C2，同时测量实验时的温度T，两圆筒的间距H，极板面积S＝2πrl，l为金属圆筒长度；f、忽略原子的感应电偶极矩，原子气体的电极化率为x＝NPL(a)/εoE (2)L(a)＝(ea+e-a)/(ea-e-a)-/a (3)式中P代表原子的永久电偶极矩，N为单位体积内原子数，εo为真空介电系数，E为电场强度，L(a)为朗之万函数，其中a＝PE/KT，K为玻尔兹曼常数，当a＜＜1时，L(a)≈a/3，当a＞＞1时，L(a)≈1，x＝ε-1＝C/Co-1，E＝V/H和Co＝εoS/H，代入(2)式，C-Co＝SNPL(a)/V (4)当Vpo＝V1较小时，符合a＝PV1/KTH＜＜1条件，此时C1＝Co+SNP2/3KTH (5)当Vpo＝V2较大时，符合a＝PV2/KTh＞＞1条件，此时C2＝Co+SNP/V2(6)联立求解P＝3KTH(C1-Co)/V2(C2-Co) (7)气体密度为 N＝C2V2/SP (8)相对误差ΔP/P＝ΔT/T+ΔH/H+ΔC1/C1+ΔC2/C2+ΔV2/V2(9)P＝P±ΔP(库仓·米) (10)这样就测出原子永久电偶极矩的大小。
全文摘要
一种测量原子永久电偶极矩的方法，将待测原子气体充入圆柱玻璃电容器中并保持气体密度一定，在高于熔点的某一温度下，通过测量不同电压下原子气体的电极化率来测量原子的永久电偶极矩。这是一种直接测量方法且实验装置相对简单。该方法能精确测出电容器内原子气体的密度，从而可以对原子永久电偶极矩进行精确测量，并能确定误差范围。解决了国际上迄今未能解决的测量难题。
文档编号G01N27/00GK1773271SQ20041005217
公开日2006年5月17日 申请日期2004年11月9日 优先权日2004年11月9日
发明者游佩林 申请人:湛江海洋大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
