西安交大《塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告》.doc

塞 曼 效 應(yīng) 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 塞曼效應(yīng)1896年，荷蘭物理學(xué)家塞曼（P.Zeeman）在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光源放在足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中時(shí)，原來的一條光譜線會(huì)分裂成幾條光譜線，分裂的條數(shù)隨能級(jí)類別的不同而不同，且分裂的譜線是偏振光。這種效應(yīng)被稱為塞曼效應(yīng)。需要首先指出的是，由于實(shí)驗(yàn)先后以及實(shí)驗(yàn)條件的緣故，我們把分裂成三條譜線，裂距按波數(shù)計(jì)算正好等于一個(gè)洛倫茲單位的現(xiàn)象叫做正常塞曼效應(yīng)（洛倫茲單位）。而實(shí)際上大多數(shù)譜線的塞曼分裂譜線多于三條，譜線的裂距可以大于也可以小于一個(gè)洛倫茲單位，人們稱這類現(xiàn)象為反常塞曼效應(yīng)。反常塞曼效應(yīng)是電子自旋假設(shè)的有力證據(jù)之一。通過進(jìn)一步研究塞曼效應(yīng)，我們可以從中得到有關(guān)能級(jí)分裂的數(shù)據(jù)，如通過能級(jí)分裂的條數(shù)可以知道能級(jí)的值；通過能級(jí)的裂距可以知道因子。塞曼效應(yīng)至今仍然是研究原子能級(jí)結(jié)構(gòu)的重要方法之一，通過它可以精確測(cè)定電子的荷質(zhì)比。一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)習(xí)觀察塞曼效應(yīng)的方法觀察汞燈發(fā)出譜線的塞曼分裂；2.觀察分裂譜線的偏振情況以及裂距與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系；3.利用塞曼分裂的裂距，計(jì)算電子的荷質(zhì)比數(shù)值。二 實(shí)驗(yàn)原理1、譜線在磁場(chǎng)中的能級(jí)分裂設(shè)原子在無外磁場(chǎng)時(shí)的某個(gè)能級(jí)的能量為，相應(yīng)的總角動(dòng)量量子數(shù)、軌道量子數(shù)、自旋量子數(shù)分別為。當(dāng)原子處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為的外磁場(chǎng)中時(shí)，這一原子能級(jí)將分裂為層。各層能量為 （1）其中為磁量子數(shù)，它的取值為，.，共個(gè)；為朗德因子；為玻爾磁矩（）；為磁感應(yīng)強(qiáng)度。對(duì)于耦合 （2）假設(shè)在無外磁場(chǎng)時(shí)，光源某條光譜線的波數(shù)為 （3）式中 為普朗克常數(shù)；為光速。而當(dāng)光源處于外磁場(chǎng)中時(shí)，這條光譜線就會(huì)分裂成為若干條分線，每條分線波數(shù)為別為 所以，分裂后譜線與原譜線的頻率差（波數(shù)形式）為 （4）式中腳標(biāo)1、2分別表示原子躍遷后和躍遷前所處在的能級(jí)，為洛倫茲單位（），外磁場(chǎng)的單位為（特斯拉），波數(shù)的單位為 。 的選擇定則是：時(shí)為 成分，是振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)的線偏振光，只能在垂直于磁場(chǎng)的方向上才能觀察到，在平行于磁場(chǎng)方向上觀察不到，但當(dāng)時(shí)，的躍遷被禁止；時(shí)，為成分，垂直于磁場(chǎng)觀察時(shí)為振動(dòng)垂直于磁場(chǎng)的線偏振光，沿磁場(chǎng)正方向觀察時(shí)，為右旋偏振光， 為左旋偏振光。若躍遷前后能級(jí)的自旋量子數(shù)都等于零，塞曼分裂發(fā)上在單重態(tài)間，此時(shí)，無磁場(chǎng)時(shí)的一條譜線在磁場(chǎng)作用下分裂成三條譜線，其中對(duì)應(yīng)的仍然是態(tài)，對(duì)應(yīng)的是態(tài)，分裂后的譜線與原譜線的波數(shù)差。這種效應(yīng)叫做正常塞曼效應(yīng)。下面以汞的譜線為例來說明譜線的分裂情況。汞的波長的譜線是汞原子從到能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，其上下能級(jí)的有關(guān)量子數(shù)值和能級(jí)分裂圖形如表11所示。表11原子態(tài)符號(hào)01121、0、12、0、21223/22、1、0、1、23、3/2、0、3/2、3可見，的一條譜線在磁場(chǎng)中分裂成了九條譜線，當(dāng)垂直于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)，中央三條譜線為成分，兩邊各三條譜線為成分；沿磁場(chǎng)方向觀察時(shí)，成分不出現(xiàn)，對(duì)應(yīng)的六條線分別為右旋和左旋偏振光。2、法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具塞曼分裂的波長差很小，波長和波數(shù)的關(guān)系為，若波長的譜線在的磁場(chǎng)中，分裂譜線的波長差約只有。因此必須使用高分辨率的儀器來觀察。本實(shí)驗(yàn)采用法布里珀羅（）標(biāo)準(zhǔn)具。標(biāo)準(zhǔn)具是由平行放置的兩塊平面玻璃或石英玻璃板組成，在兩板相對(duì)的平面上鍍有高反射率的薄銀膜，為了消除兩平板背面反射光的干涉，每塊板都作成楔形。由于兩鍍膜面平行，若使用擴(kuò)展光源，則產(chǎn)生等傾干涉條紋。具有相同入射角的光線在垂直于觀察方向的平面上的軌跡是一組同心圓。若在光路上放置透鏡，則在透鏡焦平面上得到一組同心圓環(huán)圖樣。 在透射光束中，相鄰光束的光程差為 （5） 取 （6）產(chǎn)生亮條紋的條件為 （7）式中為干涉級(jí)次；為入射光波長。 我們需要了解標(biāo)準(zhǔn)具的兩個(gè)特征參量是1、 自由光譜范圍（標(biāo)準(zhǔn)具參數(shù)） 或同一光源發(fā)出的具有微小波長差的單色光和 （），入射后將形成各自的圓環(huán)系列。對(duì)同一干涉級(jí)，波長大的干涉環(huán)直徑小，所示。如果和的波長差逐漸加大，使得的第級(jí)亮環(huán)與的第（）級(jí)亮環(huán)重合，則有 （8） 得出 （9）由于大多數(shù)情況下，（8）式變?yōu)?并帶入（9）式，得到 （10） 它表明在中，當(dāng)給定兩平面間隔后，入射光波長在間所產(chǎn)生的干涉圓環(huán)不發(fā)生重疊。 2、 分辨本領(lǐng) 定義為光譜儀的分辨本領(lǐng)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)具，它的分辨本領(lǐng)為 （11）為干涉級(jí)次，為精細(xì)度，它的物理意義是在相鄰兩個(gè)干涉級(jí)之間能分辨的最大條紋數(shù)。依賴于平板內(nèi)表面反射膜的反射率。 （12）反射率越高，精細(xì)度就越高，儀器能分辨開的條紋數(shù)就越多。利用標(biāo)準(zhǔn)具，通過測(cè)量干涉環(huán)的直徑就可以測(cè)量各分裂譜線的波長或波長差。參見圖2，出射角為的圓環(huán)直徑與透鏡焦距間的關(guān)系為 ，對(duì)于近中心的圓環(huán)很小，可以認(rèn)為，于是有 （13） 代入到（7）式中，得 （14） 由上式可推出同一波長相鄰兩級(jí)和級(jí)圓環(huán)直徑的平方差為 （15） 可以看出，是與干涉級(jí)次無關(guān)的常數(shù)。設(shè)波長和的第級(jí)干涉圓環(huán)直徑分別為和，由（14）式和（15）式得 得出波長差 （16）波數(shù)差 （17）3、 用塞曼效應(yīng)計(jì)算電子荷質(zhì)比對(duì)于正常塞曼效應(yīng)，分裂的波數(shù)差為 代入測(cè)量波數(shù)差公式（17），得 （18） 若已知和，從塞曼分裂中測(cè)量出各環(huán)直徑，就可以計(jì)算出電子荷質(zhì)比。三 試驗(yàn)內(nèi)容通過觀察綠線在外磁場(chǎng)中的分裂情況并測(cè)量電子荷質(zhì)比。1、 在顯示器上調(diào)整并觀察光路。 實(shí)驗(yàn)裝置圖 標(biāo)準(zhǔn)具光路圖（1）、在垂直于磁場(chǎng)方向觀察和紀(jì)錄譜線的分裂情況，用偏振片區(qū)分成分和成分，改變勵(lì)磁電流大小觀察譜線分裂的變化，同時(shí)觀察干涉圓環(huán)中成分的重疊。（2）、在平行于磁場(chǎng)方向觀察和紀(jì)錄譜線的分裂情況及變化。（3）、利用計(jì)算機(jī)測(cè)量和計(jì)算電子的荷質(zhì)比，打印結(jié)果。四 實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過測(cè)量可得 =154.0mm =166.0mm Dk=166.0mm Dk-1=257.0mm Dk154.0mm Dk-1=252.5mm 帶入上述公式可得電子的荷質(zhì)比 取二者平均值得 實(shí)驗(yàn)誤差E=（1.72-1.64）/1.76=4.7%五 誤差分析1. 測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)霍爾元件可能未與磁場(chǎng)完全垂直而導(dǎo)致測(cè)量的磁場(chǎng)偏小而導(dǎo)致結(jié)果偏大。2. 未能給出法珀腔介質(zhì)折射率而是使用n=1代替而導(dǎo)致結(jié)果偏大3. 在圖上找圓心時(shí)不夠準(zhǔn)確而導(dǎo)致誤差六、思考題1.如何鑒別F-P標(biāo)準(zhǔn)具的兩反射面是否嚴(yán)格平行？如發(fā)現(xiàn)丌平行應(yīng)該如何調(diào)節(jié)？例如當(dāng)眼睛向某方向移動(dòng)，觀察到干涉紋從中心冒出來，應(yīng)如何調(diào)節(jié)？答：實(shí)驗(yàn)時(shí)當(dāng)眼睛上下左史移動(dòng)時(shí)候，圓環(huán)無吞吐現(xiàn)象時(shí)說明F-P標(biāo)準(zhǔn)具的兩反射面基本平行了。當(dāng)發(fā)現(xiàn)丌平衡時(shí)，利用標(biāo)準(zhǔn)具上的三個(gè)旋鈕來調(diào)節(jié)水平。如果當(dāng)眼睛向某方向移動(dòng)，觀察到干涉紋從中心冒出來時(shí)，由干涉公式可得該處的等傾干涉條紋所對(duì)應(yīng)的厚度較大。此時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)旋扭減小厚度；相反若干涉條紋有吞現(xiàn)象則條紋的級(jí)數(shù)在減小那么該處的等傾條紋對(duì)應(yīng)的厚度較小，此時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)旋扭增加厚度。最后直至干涉條紋穩(wěn)定，無吞吐現(xiàn)象發(fā)生。2.為何法珀腔的外表面與內(nèi)表面不能平行？答：若法珀腔內(nèi)外表面平行的話，由內(nèi)表面反射回的光線將與外表面反射光線平行，可能會(huì)發(fā)生干涉而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3實(shí)驗(yàn)中的法珀腔介質(zhì)折射率未給出是否影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果？答：由最后推出的公式可知若用1代替n會(huì)使得結(jié)果偏大。4試說出塞滿效應(yīng)的應(yīng)用。汞分析儀用于測(cè)定室外、室內(nèi)、生產(chǎn)車間以及自然界和工廠排氣口的空氣中的汞蒸氣的濃度。加上必要的附件可以測(cè)量固、液、氣各種樣品。該儀器能在靜態(tài)模式和連續(xù)模式（各種交通工具）下在線監(jiān)測(cè)空氣中氣態(tài)汞的濃度。該儀器可用來解決環(huán)境問題、石油和礦藏勘探、監(jiān)測(cè)技術(shù)過程、清潔生產(chǎn)以及科學(xué)研究。汞分析儀是在塞曼原子吸收光譜法的基礎(chǔ)上應(yīng)用了高頻調(diào)制偏振光技術(shù)放射源（汞燈）置于永磁體H內(nèi)，汞共振線=254nm被分為、-和+三種偏振塞曼組分(分別為p, s- and s+)，當(dāng)射線沿著磁體直向傳播時(shí)，光電探測(cè)器僅僅探測(cè)s -射線，其中一部分落在吸收