計(jì)算機(jī)仿真物理實(shí)驗(yàn)1―塞曼效應(yīng)

1、計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)1塞曼效應(yīng)內(nèi)容提要：1.分析在垂直于磁場(chǎng)與平行于磁場(chǎng)方向觀察譜線(xiàn)在磁場(chǎng)中的分裂，區(qū)分，+，-譜線(xiàn)，并確定磁場(chǎng)方向。2.設(shè)計(jì)方案，選用合適的FP標(biāo)準(zhǔn)具和改變磁感應(yīng)強(qiáng)度 ，驗(yàn)證塞曼分裂的裂距與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系。3.討論塞曼效應(yīng)研究原子內(nèi)部能級(jí)結(jié)構(gòu)的方法和應(yīng)用。目的要求：1.通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真軟件研究汞原子（）譜線(xiàn)在磁場(chǎng)中的分裂情況。2.掌握法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的原理和調(diào)節(jié)方法。重點(diǎn)難點(diǎn)：1.重點(diǎn)：垂直磁場(chǎng)方向觀察塞曼分裂和平行磁場(chǎng)方向觀察塞曼分裂。2.難點(diǎn)：法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的原理和調(diào)節(jié)方法。作業(yè)：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)不平行應(yīng)該如何調(diào)節(jié)？授課情況：1講述原

2、理和仿真實(shí)驗(yàn)軟件的操作（15min）2示范操作（5min）3學(xué)生自己完成實(shí)驗(yàn)（100min）4檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成情況和實(shí)驗(yàn)室表格記錄（10min）教學(xué)設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容塞曼效應(yīng)是物理學(xué)史上一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)。荷蘭物理學(xué)家塞曼(Zeeman在1896年發(fā)現(xiàn)把產(chǎn)生光譜的光源置于足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)作用于發(fā)光體，使光譜發(fā)生變化，一條譜線(xiàn)即會(huì)分裂成幾條偏振化的譜線(xiàn)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為塞曼效應(yīng)。這個(gè)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是對(duì)光的電磁理論的有力支持，證實(shí)了原子具有磁距和空間取向量子化，使人們對(duì)物質(zhì)光譜、原子、分子有更多了解。今天我們?cè)谟?jì)算機(jī)仿真軟件上掌握塞曼效應(yīng)的原理,熟悉法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的原理和調(diào)節(jié)方法。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬觀

3、察譜線(xiàn)垂直磁場(chǎng)方向的塞曼分裂和平行磁場(chǎng)方向的塞曼分裂情況，并研究塞曼分裂譜的特征。圖1二、實(shí)驗(yàn)原理 原子中的電子作軌道運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的軌道角動(dòng)量、自旋角動(dòng)量、軌道磁矩和自旋磁矩，相互關(guān)系為： （1） （2）按圖1進(jìn)行向量迭加，可以得到和的關(guān)系：，其中g(shù)為朗德因子，表征原子總磁矩和總角動(dòng)量的關(guān)系。原子的總磁矩在外磁場(chǎng)中將受到力矩的作用，使總磁矩和總角動(dòng)量發(fā)生旋進(jìn)所引起的附加能量為： （3）由于和在磁場(chǎng)中的取向是量子化的，即在磁場(chǎng)方向的分量只能取如下數(shù)值： （4）式中M為磁量子數(shù)，M=J、J-1、 -J，共有2J1個(gè)值。（4）式代入（3）式得： （5）其中為玻爾磁子。（5）式說(shuō)明在穩(wěn)定的磁場(chǎng)

4、作用下，附加能量有2J+1個(gè)可能數(shù)值，也就是說(shuō)由于磁場(chǎng)的作用，使原來(lái)的一個(gè)能級(jí)分裂成2J+1個(gè)子能級(jí)，其能級(jí)間隔為。設(shè)某一光譜線(xiàn)是由能級(jí)E2和E1間的躍遷而產(chǎn)生的，則其譜線(xiàn)的頻率同能級(jí)有如下關(guān)系：在外磁場(chǎng)作用下，上、下兩能級(jí)分別分裂為2J2+l和2J1+l個(gè)子能級(jí)；附加的能量分別為E2和E1；新的譜線(xiàn)頻率與能級(jí)的關(guān)系：，分裂譜線(xiàn)的頻率差為：圖2用波數(shù)差來(lái)表示： （ 6 ） 在躍遷時(shí)，對(duì)于M的選擇定則如下：時(shí)，躍遷產(chǎn)生成分；時(shí)，產(chǎn)生成分。在垂直于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)，成分的電矢量的振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)方向，成分的電矢量的振動(dòng)方向則垂直于磁場(chǎng)方向，稱(chēng)為橫效應(yīng)；在平行于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)（如讓光線(xiàn)穿過(guò)磁極中心的

5、孔），成分不可見(jiàn)，成分為圓偏振光，稱(chēng)為縱效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)中觀察波長(zhǎng)為5461Å汞譜線(xiàn)的塞曼分裂。這條譜線(xiàn)是伴隨能級(jí)躍遷到時(shí)產(chǎn)生的，在磁場(chǎng)作用下，分裂的能級(jí)圖及躍遷所產(chǎn)生的相應(yīng)譜線(xiàn)如圖2所示。當(dāng)處于B=1T的磁場(chǎng)中要觀察如此小的波長(zhǎng)差，用一般的棱鏡攝譜儀是不可能的，需要用高分辨率的儀器，如法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)器（FP標(biāo)準(zhǔn)具）。FP標(biāo)準(zhǔn)具由平行放置的兩塊平面板組成的，在兩板相對(duì)的平面上鍍薄銀膜和其他有較高反射系數(shù)的薄膜。兩平行的鍍銀平面的間隔是由某些熱膨脹系數(shù)很小的材料做成的環(huán)固定起來(lái)。若兩平行的鍍銀平面的間隔不可以改變，則稱(chēng)該儀器為法布里珀羅干涉儀。圖3 F-P標(biāo)準(zhǔn)具標(biāo)準(zhǔn)具在空氣中使用時(shí)，干涉方

6、程（干涉極大值）為：標(biāo)準(zhǔn)具有兩個(gè)特征參量自由光譜范圍和分辨本領(lǐng)。自由光譜范圍的物理意義：表明在給定間隔圈原度為d的標(biāo)準(zhǔn)具中，若入射光的波長(zhǎng)在+間（或波數(shù)在間）所產(chǎn)生的干涉圓環(huán)不重疊，若被研究的譜線(xiàn)波長(zhǎng)差大于自由光譜范圍，兩套花紋之間就要發(fā)生重疊或錯(cuò)級(jí)，給分析帶來(lái)困難，因此在使用標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)，應(yīng)根據(jù)被研究對(duì)象的光譜波長(zhǎng)范圍來(lái)確定間隔圈的厚度。分辨本領(lǐng)：。對(duì)于FP標(biāo)準(zhǔn)具，N為精細(xì)度，兩相鄰干涉級(jí)間能夠分辨的最大條紋數(shù)，R為反射率，R一般在90%，（當(dāng)光近似于正入射時(shí)）， 例如：d=5mm，R=90%，時(shí) 實(shí)驗(yàn)步驟：1、 點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)桌面上的“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)”，啟動(dòng)“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)”軟件。2、 點(diǎn)擊“

7、下一頁(yè)”，然后點(diǎn)擊“塞曼效應(yīng)”，進(jìn)入“塞曼效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)主平臺(tái)。3、 在實(shí)驗(yàn)界面上右擊鼠標(biāo)，在快捷菜單上選取相應(yīng)的內(nèi)容，依次閱讀“實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介”、“實(shí)驗(yàn)原理”、“實(shí)驗(yàn)儀器”、“實(shí)驗(yàn)內(nèi)容”和“實(shí)驗(yàn)思考題”。4、 在實(shí)驗(yàn)界面上右擊鼠標(biāo)，在快捷菜單上選取“實(shí)驗(yàn)原理演示”，在下拉菜單中分別選取“塞曼效應(yīng)原理”和“法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的原理”，寫(xiě)出兩個(gè)原理的實(shí)驗(yàn)體會(huì)。5、 在實(shí)驗(yàn)界面上右擊鼠標(biāo)，在快捷菜單上選取“開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”。（1） 點(diǎn)擊“垂直磁場(chǎng)方向觀察塞曼分裂”1 右擊鼠標(biāo)，選擇“實(shí)驗(yàn)光路圖”，按照實(shí)驗(yàn)光路圖，安排各裝置的正確位置鼠標(biāo)單擊儀器，進(jìn)入拖動(dòng)狀態(tài)；鼠標(biāo)再次單擊，放置儀器2 打開(kāi)水銀輝光放電管電源3 調(diào)

8、節(jié)各儀器的光路使其共軸鼠標(biāo)左鍵單擊儀器，可以使儀器的水平高度降低；鼠標(biāo)右鍵單擊儀器，可以使儀器的水平高度升高4 調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)具鼠標(biāo)雙擊標(biāo)準(zhǔn)具，標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具，寫(xiě)出標(biāo)準(zhǔn)具的調(diào)節(jié)方法，調(diào)節(jié)完畢返回。5 右擊鼠標(biāo)，選擇“實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”，點(diǎn)擊“鑒別兩種偏振成分”，改變偏振片的偏振方向，觀察Hg(546.1nm譜線(xiàn)的分裂情況，寫(xiě)出鑒別成分和成分的方法；點(diǎn)擊“觀察塞曼裂距的變化”，觀察第k級(jí)圓環(huán)和第k+1級(jí)圓環(huán)的成分重疊情況。6 返回到“塞曼效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)主平臺(tái)。（2） 點(diǎn)擊“平行磁場(chǎng)方向觀察塞曼分裂”1 右擊鼠標(biāo)，選擇“實(shí)驗(yàn)光路圖”，按照實(shí)驗(yàn)光路圖，安排各裝置的正確位置鼠標(biāo)單擊儀器，進(jìn)入拖動(dòng)狀態(tài)；鼠標(biāo)再次