塞曼效應實驗報告

1、近代物理實驗報告塞曼效應實驗學院班級姓名學號時 間2022 年3月16日塞曼效應實驗實驗報告【摘要】：本實驗通過塞曼效應儀與一些觀察裝置觀察汞Hg546.1 nm譜線3Sn 3P2躍遷的塞曼分裂，從理論上解釋、分析實驗現象，而后給出橫效應塞總分值裂線的波數增量，最后得出 荷質比?！娟P鍵詞】：塞曼效應、汞546.1 nm、橫效應、塞總分值裂線、荷質比【引言】：塞曼效應是原子的光譜線在外磁場中出現分裂的現象，是1896年由荷蘭物理學家塞曼發(fā)現的。首先他發(fā)現，原子光譜線在外磁場發(fā)生了分裂；隨后洛侖茲在理論上解釋了譜線分裂成 3條的原因，這種現象稱為“塞曼效應。在后來進一步研究發(fā)現，很多原子的光譜在磁

2、場中 的分裂情況有別于前面的分裂情況，更為復雜，稱為反常塞曼效應。塞曼效應的發(fā)現使人們對物質光譜、原子、分子有更多了解，塞曼效應證實了原子磁矩的 空間量子化，為研究原子結構提供了重要途徑，被認為是19世紀末20世紀初物理學最重要的發(fā)現之一。利用塞曼效應可以測量電子的荷質比。在天體物理中，塞曼效應可以用來測量天體 的磁場。本實驗采取 Fabry-Perot 以下簡稱F-P標準具觀察 Hg的546.1 nm譜線的塞曼效 應，同時利用塞滿效應測量電子的荷質比?！菊摹浚阂弧⑷至炎V線與原譜線關系1、磁矩在外磁場中受到的作用(1)原子總磁矩人在外磁場中受到力矩的作用：(云=呃)其效果是磁矩繞磁場方向

3、旋進，也就是總角動量Pj繞磁場方向旋進。 磁矩幾I在外磁場中的磁能:£Lt = -gPfJ 2八-U=s(Pr3) = ()zff2m2m由于，所以其在磁場方向分量也量子化:原子受磁場作用而旋進引起的附加能量2燉 2兀"二學-皺爾磁子)$4也隨二竺-、險B二科 MgBsM為磁量子數g為朗道因子，表征原子總磁矩和總角動量的關系，g隨耦合類型不同LS耦合和jj耦合有兩種解法。在 LS耦合下：,J(J+1)-L(L + 1HS + 1)1 +其中：L為總軌道角動量量子數S為總自旋角動量量子數J為總角動量量子數M只能取J, J-1 , J-2-J 共2J+1丨個值，即 E有(2J+

4、1)個可能值。無外磁場時的一個能級，在外磁場作用下將分裂成2J+1個能級，其分裂的能級是等間隔2、塞曼分裂譜線與原譜線關系:(1)根本出發(fā)點：hvl!再+Z呵hvl =-爲 + 應$二禺-盡+2-人馬= kvA-M - M罔弁押分裂后譜線與原譜線頻率差Ak = vf-v = M局-叫吋巴名ehp鳥二由于4?兩Ajm為方便起見，常表示為波數差L- = x46.7_17_1定義 Ajimc為洛侖茲單位：Af =M32 -肚間兀=16.7422 一 "1 旨 1占3、譜線的偏振特征： 塞曼躍遷的選擇定那么為： M=0時為n成份n型偏振是振動方向平行于磁場的線偏振光，只有在垂直于磁場方向才能

5、觀察到，平行于磁場方向觀察不到；但當J=0時，M=0到M=0的躍遷被禁止。當厶M=± 1時，為b成份，c型偏振垂直于磁場，觀察時為振動垂直于磁場的線偏振光。 平行于磁場觀察時，其偏振性與磁場方向及觀察方向都有關： 沿磁場正向觀察時即磁場方向離開觀察者：U_ M= +1為右旋圓偏振光b +偏振 M= -1為左旋圓偏振光b -偏振也即，磁場指向觀察者時：O I M= +1為左旋圓偏振光 M= -1為右旋圓偏振光分析的總思路和總原那么 在輻射的過程中，原子和發(fā)出的光子作為整體的角動量是守恒的。原子在磁場方向角動量為：唱 在磁場指向觀察者時：ok當厶M= +1時，光子角動量為2兀，與B同向電

6、磁波電矢量繞逆時針方向轉動，在光學上稱為左旋圓偏振光。k M= -1時，光子角動量為，2兀與百反向 電磁波電矢量繞順時針方向轉動，在光學上稱為右旋圓偏振光。例：Hg 5461?譜線，6S7S分裂后，相鄰兩譜線的波數差實驗方法： 觀察塞曼分裂的方法：S宀6S6P 4能級躍遷產生3*0-1-3/L-12LC2LEL12>L-F1FrF11111巳2 0-23a 2 o 3/2-3塞曼分裂的波長差很小由于一 -；'-1'以Hg 5461 ?譜線為例當處于 B=1T的磁場中F "JAv = -&7><1工23.3向2 2Al=>l3Av =10

7、 ilw=0.1A要觀察如此小的波長差，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 珀羅標準器F P標準具。FP標準具由平行放置的兩塊平面板組成的，在兩板相對的平面上鍍薄銀膜和其他有較高反 射系數的薄膜。兩平行的鍍銀平面的間隔是由某些熱膨脹系數很小的材料做成的環(huán)固定起來。 假設兩平行的鍍銀平面的間隔不可以改變，那么稱該儀器為法布里一珀羅干預儀。標準具在空氣中使用時，干預方程干預極大值為=標準具有兩個特征參量自由光譜范圍和分辨本領。自由光譜范圍的物理意義:說明在給定間隔圈原度為 d的標準具中，假設入射光的波長在入入+入間或波數在P -F-fA?間所產生的干預圓環(huán)不重疊，假設被研

8、究的譜線波長差大于自由光譜范圍，兩 套花紋之間就要發(fā)生重疊或錯級，給分析帶來困難，因此在使用標準具時，應根據被研究對象 的光譜波長范圍來確定間隔圈的厚度。分辨本領:對于F P標準具N為精細度，兩相鄰干預級間能夠分辨的最大條紋數R為反射率,R 一般在90%當光近似于正入射時例如：d=5mm R=90% 入=546.1 nm 時入、實驗儀器與裝置該實驗可采用多種儀器與方法，一般常用的是在塞曼效應儀上加以不同的觀察裝置。觀察 塞曼效應的實驗裝置圖如下所示：CCD9遠情一成僮JaffiP標準具上，由偏振片鑒別成分和 成分，再經成像透鏡將干預圖樣成像在攝譜儀膠片或望遠鏡CCD光敏面處。觀察塞曼效應時，可

9、將電磁鐵極中的芯子抽出，磁極轉90o,光從磁極中心痛過。將1/4波片置于偏振片前方，轉動偏振片可以觀測成分的左旋和右旋圓偏振 光。本實驗室的 WP11/| A塞曼效應儀，采用 CCD望遠鏡觀察，電腦采集圖像并處理，整套儀器組成如以下圖:1一電隱鐵2 鼓勵電源3 透鏡圖3-57 CCD望遠鏡8 導軌1電腦4 一偏振片5干預濾光片中心波長546 Jnm6F-P標準具間距2imn三、實驗目的1. 觀察塞曼效應儀，理解理論學習內容。2. 掌握測量波長差的原理。3. 測量荷質比。四、實驗內容與方法本實驗通過塞曼效應儀與一些觀察裝置觀察汞Hg546.1 nm譜線3S 3P2躍遷的塞曼分裂，用FP標準具測量

10、波長差及電子的荷質比。1. 將汞燈調節(jié)到磁場最強處，按上圖調整光學系統，調節(jié)各光學部件同軸等高。注意：調節(jié)共軸等高是本實驗的一個關鍵點也是一個難點，可以采用二次成像法來調節(jié)。二次成像法：利用凸透鏡能在較近與較遠處成像，通過觀察這兩個清晰像的中心相同來調節(jié)共 軸等高。2. 觀察汞Hg546.1 nm譜線在B=0與0時的物理圖像。轉動偏振片，檢查橫效應和縱效 應下分裂的成分。本實驗主要研究橫效應3. 測量與數據處理：將橫效應的成分觀察到的圖像保存成 jpg或bmp格式，用塞曼效應分析軟件測量出k、k-1和k-2級各干預圓環(huán)的直徑，用特斯拉計測量汞燈處的磁場B。利用常數d d=2mri及公式計算出?

11、v，再計算e/m。五、實驗數據及結論1.實驗數據：11x 10 C/kg。實驗測得：加磁場時汞燈處B=1235mTB=0時能級圖：B=1.235T時的能級圖:從圖中我們可以清楚的看到，在加磁場后，汞546.1 nm譜線明顯發(fā)生塞曼分裂，每一條譜 線分裂成3條有橫效應的前提。1.7588的誤差為：865 1.7588 100% 6.04%。誤差產生的原因有兩方面：1.軟件處1.7588理時畫圓定點不夠仔細，2.調節(jié)共軸等高時有一定誤差同時，本實驗由于時間等原因未能進用塞曼效應分析軟件處理后結果為:從圖中我們可以看出所得到的電子的荷質比為1.865此處未加上數量級，與理論的行屢次測量。2. 理論計算我們知道理論46.7B(m 1T 1)，因為M2g2 M1g1代入理4 mc論的荷質比e/m與實際的磁場強度 B,后得出M2g2 M1g10.81，而實際D：( ) D：()D：1( ) D：()代入結果圖中的數據得50,同時將公示簡單變形后能得出荷質比e/m 1.884 1011，與軟件得出結果較為接近。3. 誤差分