塞曼效应报告.docx

一、实验目的1. 分析在垂直于磁场与平行于磁场方向观察Hg 546.1nm谱线在磁场中的分裂，区分n , O +，O -谱线，并确定磁场方向2. 设计方案，选用合适的F—P标准具和改变磁感应强度，验证塞曼分裂的裂距与磁感应 强度 B 的关系3. 设计方案用塞曼分裂的波数差计算电子的荷质比4. 讨论塞曼效应研究原子内部能级结构的方法和应用二、 实验仪器1、 F-P 标准具、汞灯、棱镜摄谱仪、毫特斯拉计、滤波片、1/4 波片、［线］偏振片、［凸］ 透镜2、 本实验为数字模拟实验，以上仪器全部为软件中模拟存在三、 实验原理1、塞曼分裂谱线与原谱线关系①磁矩在外磁场中受到的作用 (1)原子总磁矩戸丿在外磁场中受到力矩的作用:其效果是磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量(Pj)绕磁场方向旋进⑵磁矩戸』在外磁场中的磁能:由于Pj或在磁场中的取向量子化，所以其在磁场方向分量也量子化:(Pj)z = Mh = M・•・原子受磁场作用而旋进引起的附加能量M 为磁量子数g为朗道因子，表征原子总磁矩和总角动量的关系，g随耦合类型不同(LS耦合和jj耦合) 有两种解法在LS耦合下：其中：L 为总轨道角动量量子数S 为总自旋角动量量子数J 为总角动量量子数M只能取J，J-l, J-2……-J (共2J+1)个值，即AE有(2J+1)个可能值。

无外磁场时的一个能级，在外磁场作用下将分裂成(2J+1)个能级，其分裂的能级是等间隔 的，且能级间隔氏⑻^ ②塞曼分裂谱线与原谱线关系:(1) 基本出发点：hvf = （E2 +禺）-（角+啦 =（耳-駕）+ （也2-心角） = hv + （M2g2-・•・分裂后谱线与原谱线频率差Pb -由于eh4硕为方便起见，常表示为波数差Av=（M2g2-Mlgl）-^BL =定义eB= 5x4&7 燃一 If"为洛仑兹单位:Av = (M^g^-Mig[)L=46.7(MQgq _Mlgl)召2、谱线的偏振特征:塞曼跃迁的选择定则为△ M=0时为n成份（n型偏振）是振动方向平行于磁场的线偏振光，只有在垂直于磁场方 向才能观察到，平行于磁场方向观察不到；但当△ J=0时，“2=0到Mj0的跃迁被禁止当△ M=± 1时，为O成份，O型偏振垂直于磁场，观察时为振动垂直于磁场的线偏振光 平行于磁场观察时，其偏振性与磁场方向及观察方向都有关:沿磁场正向观察时（即磁场方向离开观察者: ）△ M= +1为右旋圆偏振光（O +偏振）△ M= -1为左旋圆偏振光（O -偏振） 也即，磁场指向观察者时：△ M= +1为左旋圆偏振光△ M= -1为右旋圆偏振光分析的总思路和总原则:在辐射的过程中，原子和发出的光子作为整体的角动量是守恒的原子在磁场方向角动量为：£ =Mk=M —・•・在磁场指向观察者时：。

倉当△ M= +1时，光子角动量为2冗，与思同向 电磁波电矢量绕逆时针方向转动，在光学上称为左旋圆偏振光△ M= -1时，光子角动量为，2用与倉反向电磁波电矢量绕顺时针方向转动，在光学上称为右旋圆偏振光例:Hg 5461A 谱线，｛6S7ShS1{6S6P}3P2能级跃迁产生-2-3/EL3/：r■r1r1r1r1F” 1f分裂后，相邻两谱线的波数差塞曼分裂的波长差很小由于3、观察塞曼分裂的方法原理以Hg 5461 A谱线为例当处于B=1T的磁场中2 -11 ■=A2 = 2 AT = 10 ^ = 0.1A要观察如此小的波长差，用一般的棱镜摄谱仪是不可能的，需要用高分辨率的仪器，如法布 里一珀罗标准器（F—P标准具）测量塞曼分裂谱线波长差的方法应用F-P标准具测量各分裂谱线的波长或波长差是通过测量干涉环的直径来实现的出tan “ D / f射角为0的圆环的直径d与透镜焦距f间的关系为， 2 ，对于近中心的圆环，e很小，可认为0 Q sin 0 Q tan 0，而cos0=1—2血22 〜1—T 二1—f代入式2d cos 0 = Kk得(D 2 '2d cos0 二 2d 1 — 二 Kk1） 由上式可推得，同一波长入相邻两级K和（K-1）级圆环直径的平方差AD 2 = D 2 — D 2 = 4f2kK —1 K D2）可见AD 2是与干涉级次无关的常数。

设波长入和从的第K级干涉圆环的直径分别为D和Db，由式（1）和（2）得 a b a bdk —k 二 （D2 — D2）二a b 4 f 2K b'D 2 — D 2 'b aID 2 -二-丿' K—1 K yK 二 2d 将 k 代入，得波长差'D 2 — D 2 ' b a—_学—D 2丿K —1 K'D 2 — D 2 ' b a———学—D 2丿K —1 KA 1Ab 二2d (D 2波数差测量时用（K-2）或（K-3）级圆环由于标准具间隔厚度d比波长入大得多，中心处圆环 的干涉级数K是很大的，因此用（K-2）或（K-3）代替K,引入的误差可忽略不计4、法布里一珀罗标准器（F—P标准具）F—P 标准具由平行放置的两块平面板组成的，在两板相对的平面上镀薄银膜和其他有较高反射系数的薄膜两平行的镀银平面的间隔是由某些热膨胀系数很小的材料做成的环固定起来若两平行的镀银平面的间隔不可以改变，则称该仪器为法布里—珀罗干涉仪标准具在空气中使用时，干涉方程（干涉极大值）为2肚伍 二级标准具有两个特征参量自由光谱范围和分辨本领自由光谱范围的物理意义：表明在给定间隔圈原度为 d 的标准具中，若入射光的波长在.〜 ~ , ft ~入〜入+△入间（或波数在 间）所产生的干涉圆环不重叠，若被研究的谱线波长差大于自由光谱范围，两套花纹之间就要发生重叠或错级，给分析带来困难，因此在使用标准具时，应根据被研究对象的光谱波长范围来确定间隔圈的厚度。

2分辨本领：（必）：对于 F—P 标准具N 为精细度，两相邻干涉级间能够分辨的最大条纹数&=巫\-RR为反射率，R 一般在90%3 —几（当光近似于正入射时）四、实验步骤1、垂直磁场方向观察塞曼分裂（ 1）按照实验光路图，安排个装置的正确位置（ 2）打开水银辉光放电管电源；（ 3）调节个仪器的光路使其共轴；（ 4 ）调整标准具；（ 5 ）仪器调好后，鉴别两种偏振成分：偏振片视窗上的红线表示偏振片透振方向，鼠标左 键单击“偏振片透振方向逆时针旋转”或“偏振片透振方向顺时针旋转”按钮，偏振片透振 方向会做相应的旋转，望远镜视窗中的分裂线也会随透振方向的改变而改变 6 ）观察塞曼裂距的变化：Q鼠标左键单击（或按下不放）“电流调节旋钮”旋钮顺时针旋转，安培表指示电流增大， 望远镜视窗中的塞曼裂距发生变化；鼠标右键单击（或按下不放）“电流调节旋钮”，旋钮逆 时针旋转，安培表指示电流减小，望远镜视窗中的塞曼裂距发生变化按照实验指导中的要 求，记录相应的电流数据Q鼠标左键单击“电流-磁场强度坐标图”出现下面的坐标图鼠标左键点击横纵滚动条，坐标图移动，根据记录的电流值，查出相应的磁场强度值2、平行于磁场方向观察塞曼分裂（1）按照实验光路图，安排个装置的正确位置（2）打开水银辉光放电管电源；（3）调节个仪器的光路使其共轴；（4）调整标准具；（5）一起调好后，开始观察；偏振片视窗上的红线表示偏振片的透振方向，鼠标左键单击 “偏振片透振方向顺时针旋转”或“偏振片透振方向逆时针旋转”按钮，偏振片的透振方向 做相应的旋转，望远镜视窗中的分裂环会产生相应的变化。

五、实验观察结果与分析1、垂直于磁场方向观察塞曼分裂：观察结果：当偏振方向垂直于磁场方向时，只有中央三环消失，两边各有三环出现18场沿方向水平 垂直于18场方向观察偽振片的透振方向观察叮指导茲指导当偏振方向平行于磁场方向时，只有中央三环出现，两边各有三环消失分析：按照实验原理中对Hg546.1nm的谱线的一些简单介绍可知，中央三环为n成分，两边六环 为 成分由谱线在磁场中的能级分裂遵循塞曼跃迁的选择定则可知，当 =0 （即偏振方向 平行于磁场方向）时，对应的塞曼分裂谱线为 成分，是振动方向平行于磁场的线偏振光， 只在垂直于磁场的方向才能观察得到； （即偏振方向垂直于磁场方向）时，对应塞曼分裂 谱线为 成分，垂直磁场观察时为振动方向垂直于磁场的线偏振光 理论与实验现象相吻合2.平行于磁场方向观察塞曼分裂：观察结果：当偏振方向在一、三象限时，只有外内环出现；僥抵片透拒方向观察13指导实验指导1M波片快轴为垂直方向磁场沿水平方向 沿破场方向观察0当偏振方向在二、四象限时，只有外环出现；0ta报片透振方向实验指导波片快轴为垂直方向磁场沿水平方向 沿磁场方向观察H H琢F泪馆振片透振方向实验指导1/＜片快轴为垂直方向磁场沿水平方向 沿磁场方向观察分析：成分（正负）的谱线的振动方向相互垂直，在+45 度（第一象限）的偏振方向与+ 成分的 谱线的振动方向一致，而与- 成分的谱线振动方向垂直，因此观测到三条谱线；同理，在-45 度（第四象限）方向上观测到三条谱线；而在他们之间则可观测到六条谱线。

这也就是内外 环交替消失的原因六、实验数据与处理因为有1、数据记录-一-一二四五电流I/A1.201.401.652.002.90磁场强度B/mt5256357509001155数据对应重叠情况：~ 1 ~又因为A" 2d，d为5mm'所以AV为定值'为100m讥有 AL = 4 x 46.7 x B = 98.07m-11AL = 3.5 x 46.7 x B = 103.79m-12氏二 3 x 46.7 x B 二 105.07m-13Ax~ 二 2.5 x 46.7 x B 二 105.07m-14AT 二 2 x 46.7 x B 二 107.87m-15所以验证结果大致相同e2、设计用塞曼分裂计算荷质比m :对于正常塞曼效应，分裂的波数差为A T eBAo = L =—4兀mc代入测量波数差公式，得e 2 兀 c （ D 2 一 D 2 ' -二竺I —b―— Da和Db分别为波长入a和入b的第K级干涉圆环的直径，m dB I D 2 一 D 2 Jab a bK -1 K ，D 2 - D 2为同一波长入相邻两级K和（K-1）级圆环直径的平方差K -1 K已知d和B，从塞曼分裂的照片测出各环直径，就可计算e/m。