塞曼效應(yīng)實驗及其拓展

1、塞曼效應(yīng)實驗及其拓展于遙 0519044 物理摘要：本文簡要概括了塞曼效應(yīng)的歷史意義、實驗的目的、原理、步驟、注意事項以及不同磁場方向下現(xiàn)象的記錄分析和數(shù)據(jù)處理等；同時介紹F-P標準具在塞曼效應(yīng)實驗中的用法關(guān)鍵字：塞曼效應(yīng)；F-P標準具；磁場方向引言：塞曼效應(yīng)是物理學(xué)史上一個著名的實驗。荷蘭物理學(xué)家塞曼在1896年發(fā)現(xiàn)把產(chǎn)生光譜的光源置于足夠強的磁場中，磁場作用于發(fā)光體使光譜發(fā)生變化，一條譜線即會分裂成幾條偏振化的譜線，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。 塞曼效應(yīng)是繼法拉第磁致旋光效應(yīng)之后發(fā)現(xiàn)的又一個磁光效應(yīng)。這個現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是對光的電磁理論的有力支持，證實了原子具有磁矩和空間取向量子化，使人們對物質(zhì)光譜、

2、原子、分子結(jié)構(gòu)有更多了解，特別是由于及時得到洛侖茲的理論解釋，更受到人們的重視，被譽為繼X射線之后物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。1902年，塞曼與洛侖茲因發(fā)現(xiàn)塞曼效應(yīng)而共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎（以表彰他們研究磁場對光的效應(yīng)所作的特殊貢獻）。理論和實驗部分：實驗?zāi)康模? 了解塞曼效應(yīng)在研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用以及F-P標準具的使用 2 觀測低壓汞燈在磁場中塞曼分裂譜線,并測定它們的裂距和偏振態(tài); 3 從譜線的塞曼裂距確定原子能級的J值及相應(yīng)的g值，若原子遵從LS藕和，則可由g值確定該能級的L和S值。4 分析明確塞曼分裂譜線的具體性質(zhì)實驗原理：1 塞曼效應(yīng)中的能級分裂：當(dāng)原子放在外磁場中時，原子的總磁

3、矩將繞外磁場B的方向作旋進，使原子獲得了附加的能量，稱為取向勢能，同時空間有了一個從優(yōu)方向，即外磁場方向。則原子的附加能量為 （其中Mj可取J到-J共2J+1個值）所以原來的能級將分裂為（2J+1）個能級，此時能級間的躍遷情況為：在外磁場作用下，上下兩能級分裂為（2J1+1）個和（2J2+1）個子能級，附加能量分別為DE1、DE2 ，從上能級各子能級到下能級各子能級的躍遷產(chǎn)生的光譜線頻率,應(yīng)滿足下式: 因此，有磁場時的譜線與原譜線的頻率差為：其中L=稱為洛侖茲單位。L=46.68B/m,的單位用T 2 選擇定則對于多電子原子中的能級躍遷要符合如下的兩個選擇定則：（1）=0,但和不能同時為零。（

4、2）=0,. ，和， 分別為躍遷前后的總角動量量子數(shù)和磁量子數(shù)。當(dāng)=0 ，為成分，是振動方向平行于磁場的線偏振光，只在垂直于磁場的方向上才能觀察到，平行于磁場的方向上觀察不到。其譜線頻率為 譜線的條數(shù)則與和的可能值的個數(shù)（2+1）和（2+1）有關(guān)，等于這兩個數(shù)中較小的一個。但是，對于=0的躍遷，由于與不能同時為零，故是禁戒的。因此，沿磁場方向觀察時，看不到譜線。當(dāng)=時 ，為成分。垂直于磁場觀察時為振動垂直于磁場的線偏振光，當(dāng)=+1時，原子輻射后，它沿磁場方向的角動量減小h，因此發(fā)射的光子具有沿磁場方向的角動量+h,以保持原字和光子的整個體系的角動量守恒。由于光子的電矢量是圍繞磁場B作右手螺旋的

5、圓偏振波，稱為偏振波，相應(yīng)的譜線稱為譜線，其頻率為 當(dāng)=-1時，原子輻射后，它沿磁場方向的角動量增加h，因此發(fā)射的光子具有沿磁場方向的角動量-h,以保持原子和光子的整個體系的角動量守恒。由于光子的電矢量相當(dāng)于圍繞磁場B作反右手螺旋的圓偏振波，稱為偏振波，相應(yīng)的譜線稱為譜線，其頻率為 3 F-P標準具法布里-珀羅干涉儀是一種應(yīng)用廣泛的高分辨率分光儀器。它的應(yīng)用范圍大，在長度計量中也被采用，成為長度基準傳遞的工具，因此又稱為法布里珀卜羅標準具（簡稱F-P 標準具）。本實驗中,采用改變氣壓實現(xiàn)F-P干涉儀的掃描. 當(dāng)單色平行光束 So以小角度入射到標準具的 M 平面時，入射光束So經(jīng)過 M1 表面及

6、 M2表面多次反射和透射，形成一系列相互平行的反射光束，這些相鄰光束之間有一定的光程差，而且有 =2nhcos h為兩平板之間的間距， n為兩平板之間介質(zhì)的折射率(標準具在空氣中使用，n=l)，為光束入射角，這一系列互相平行并有一定光程差的光束在無窮遠處須用透鏡會聚在透鏡的焦平面上發(fā)生干涉、光程差為波長整數(shù)倍時產(chǎn)生干涉極大值。2hcos=N 其中，N為整數(shù)，稱為干涉級數(shù)。由于標準具的間距 h是固定的，在波長 A 不變的條件下，不同的干涉級數(shù)N對應(yīng)不同的入射角。在擴展光源照明下，F(xiàn)- P標準具產(chǎn)生等傾干涉，它的干涉花紋是一組同心圓環(huán)。 標準具示意圖 自由光譜范圍與能分辨的最小波長的比值就是標準具

7、能分辨的干涉亮條紋數(shù)（同級次）的最大值，因此，我們把它定義為標準具的精細度F， 實驗步驟：1 了解實驗裝置2開啟汞燈，調(diào)節(jié)各光學(xué)元件，使其中心與磁場中心位置等高。（先不放置偏振片）3自準法調(diào)節(jié)成像中心位置。4小孔后用動態(tài)掃描觀察，調(diào)節(jié)F-P標準具和平行度。5加上光電倍增管，打開銅拴，用自準法調(diào)節(jié)成像中心位置。關(guān)閉觀察窗口，把銅拴推入。打開計算機Zeeman Lab程序。填寫實驗設(shè)置信息。6在的條件下，掃描記錄曲線。7在縱向磁場下，繪測汞546.1nm譜線的Zeeman分裂曲線；加上偏振片后，記錄分析Zeeman分裂的成分和成分8在橫向磁場下，繪測汞546.1nm譜線的Zeeman分裂曲線；加上

8、偏振片后，記錄分析Zeeman分裂的成分和成分9 比較分析，從而進一步了解分裂譜線成分的具體情況實驗器材：低壓汞光源、聚光透鏡、偏振片、干涉濾光片、F-P標準具、氣壓掃描裝置、特斯拉計、電腦結(jié)果與討論：1調(diào)節(jié)各光學(xué)原件，使其中心與各磁場中心位置等高后，成像透鏡平面處加上小孔，用手電照明后，從觀察窗口可以看到反射回來的亮點不止一個，是因為各元件反射平面部完全平行所致。此時，選取最亮點進行自準調(diào)節(jié)。使之與發(fā)光孔重合即可。2調(diào)節(jié)F-P標準具的平行度，當(dāng)氣壓增高時，空氣的折射率會隨之變大，導(dǎo)致光程差變大，則條紋移動方向是鏡面間距小的方向，調(diào)節(jié)此方向上的旋鈕（逆時針增大）。最初在小孔處觀察干涉條紋較細、

9、較清晰。逐漸調(diào)節(jié)，條紋移動，并變粗，直線性變差最后形成大片亮斑和暗區(qū)。移動眼睛觀察（消除視察），條紋基本不變位置，說明平行調(diào)好，可以開始測繪。3 B=0時，由于本組儀器電流放大器在數(shù)值較大時出現(xiàn)了非線性失真，初始圖汞峰過于圓鈍，在減小增大倍數(shù)同時提高U(b)增益后才得到比較好的圖像 峰數(shù)峰橫坐標半高位置峰10.6790.645峰21.8950.713峰間距和半高寬1.2160.068細度=峰間距/半高寬=18，精細度較低，估計是電流放大器的內(nèi)部問題4 橫向B=1.1T 主峰寬L1=1.209 峰間距L2的平均值=（0.12*6+0.13*9）/15=0.126 標準具間隔t=1.998mm所以

10、故塞曼分裂間隔V= L2/L1*0.25 =26.08m-1 加上偏振片后，調(diào)節(jié)其角度，得到汞546.1nm譜線的Zeeman分裂成分。 旋轉(zhuǎn)/2角度，得到對應(yīng)的成分曲線。5 核值比計算 由于L=uB/h=eB/4e而v=L/2c故而理論值 誤差在允許的誤差范圍內(nèi)。7 縱向觀察，無法觀察到譜線，原因是譜線的偏振方向與磁場是平行的，在不加1/4波片時，無論如何旋轉(zhuǎn)偏振片，觀察到的總是6條分譜線，可知和此時是圓偏振；在加入1/4波片后，隨著旋轉(zhuǎn)偏振片，和譜線明暗交替出現(xiàn)度數(shù)（度）45135225315譜線種類由此可知此時的和譜線都為線偏振，其偏振方向和磁場垂直；由于是等傾干涉，故外環(huán)對應(yīng)著較大的半

11、徑和較小的波長，為對應(yīng)的譜線；內(nèi)環(huán)對應(yīng)了的譜線小結(jié)：本實驗中數(shù)據(jù)不能說是分精確，首先電流放大器出現(xiàn)了一定程度上的非線性失真，而電子系統(tǒng)測量，難免會有一定的本底噪聲，即儀器誤差，會影響測量精度。其次，B的不確定度為5%比較大，再者觀察縱向磁場塞曼分裂譜線時候沒用F-P標準具而僅僅目測各鏡面在同一主光軸上，這在很大程度上造成了誤差。另外若能用計算機直接找到峰值位置，則可進一步提高精確度。說明幾個問題：1 外磁場需要為弱磁場的原因： 看圖 由于原子的總磁矩m不在總角動量J的延長線上，mL=（e /2m）L=mS=（e/m）S=從式子中可見角動量和其對應(yīng)的磁距并不對稱相似。故只有當(dāng)外磁場較弱時，L和S繞J的旋進不受影響，原子的總磁矩中起實際作用的只是平行于J的分量，用mJ表示這一分量，稱為原子的有效磁矩，2 為什么沿磁場方向只能觀察到、譜線，而在與磁場垂直的方向上能觀察到、和譜線入圖：B方向向右、譜線為圓偏振，因為一束光的電矢量在波面內(nèi)運動時，特點是瞬時值大小不變，方向以角速度w勻速旋轉(zhuǎn)，電矢量的軌跡為圓，此即為圓偏振光，它可分解為總電矢量為 光迎面來的時候此時為右旋光，即電矢量順時針旋轉(zhuǎn)，此時超前相位，光迎面來的時候此時為左旋光，即電矢量逆時針旋轉(zhuǎn)，此時落后相位。再加入1/4波片后上式中都被抵消，圓偏振光就成為了