塞曼效應(yīng)報告

一、實驗?zāi)康姆治鲈诖怪庇诖艌雠c平行于磁場方向觀察Hg546.1nmπ，σ+，σ-譜線，并確定磁場方向。強(qiáng)度B的關(guān)系。設(shè)計方案用塞曼分裂的波數(shù)差計算電子的荷質(zhì)比。討論塞曼效應(yīng)研究原子內(nèi)部能級結(jié)構(gòu)的方法和應(yīng)用。二、實驗儀器1、F-P1/4波片、線[凸透鏡。2、本實驗為數(shù)字模擬實驗，以上儀器全部為軟件中模擬存在。三、實驗原理1、塞曼分裂譜線與原譜線關(guān)系1磁矩在外磁場中受到的作用原子總磁矩 在外磁場中受到力矩的作用：其效果是磁矩繞磁場方向旋進(jìn)，也就是總角動量（PJ）繞磁場方向旋進(jìn)。磁矩在外磁場中的磁能：由于 或 在磁場中的取向量子化，所以其在磁場方向分量也量子化：∴原子受磁場作用而旋進(jìn)引起的附加能量M為磁量子數(shù)g耦合和jj有兩種解法。在LS其中：LSJM只能取J，J-1，J-2??-J（共2J+1）個值，即ΔE有(2J+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的，且能級間隔2塞曼分裂譜線與原譜線關(guān)系：基本出發(fā)點：∴分裂后譜線與原譜線頻率差由于為方便起見，常表示為波數(shù)差定義 為洛侖茲單位：2、譜線的偏振特征：ΔM=0時為π成份型偏振）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觀察到，平行于磁場方向觀察不到；但當(dāng)ΔJ=0時，M0M=0的躍遷被禁止。2 1ΔM=±1時，為σ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(guān)：沿磁場正向觀察時（即磁場方向離開觀察者： ）ΔM=+1為右旋圓偏振光（σΔM=-1為左旋圓偏振光（σ

+偏振）-偏振）也即，磁場指向觀察者時：⊙ΔM=+1為左旋圓偏振光ΔM=-1為右旋圓偏振光分析的總思路和總原則:原子在磁場方向角動量為：∴在磁場指向觀察者時：⊙當(dāng)ΔM=時，光子角動量為 ，與同向電磁波電矢量繞逆時針方向轉(zhuǎn)動，在光學(xué)上稱為左旋圓偏振光。ΔM=-1時，光子角動量為， 與反向電磁波電矢量繞順時針方向轉(zhuǎn)動，在光學(xué)上稱為右旋圓偏振光。例：Hg5461?譜線，{6S7S}3S→{6S6P}3P能級躍遷產(chǎn)生1 2分裂后，相鄰兩譜線的波數(shù)差3、觀察塞曼分裂的方法原理塞曼分裂的波長差很小由于 以Hg5461?譜線為例當(dāng)處于B=1T的磁場中里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)器。測量塞曼分裂譜線波長差的方法。F-P標(biāo)準(zhǔn)具測量各分裂譜線的波長或波長差是通過測量干涉環(huán)的直徑來實現(xiàn)的tanD/f射角為的圓環(huán)的直徑D與透鏡焦距f間的關(guān)系為，

2 很小，可認(rèn)為sintan，而 2 D2cos12sin2 1 1 2 2 8f2代入式2dcosK得2dcos2d1D2K 8f

（1）由上式可推得，同一波長λ相鄰兩級K和（K-1）級圓環(huán)直徑的平方差4f2D

D2K

D2K

D （2）可見D2是與干涉級次無關(guān)的常數(shù)。λ 設(shè)波長 和 的第K級干涉圓環(huán)的直徑分別為D和D，由式和λ a b a bd D2D2 (D2D2) b a a b 4f2K b

a D2 D2K2dK將 代入，得

KKD2D2 b a 波長差

2dD2 D2KK1D2D2 b a 波數(shù)差

2dD2 D2KK測量時用（K-2）或（K-3）級圓環(huán)。由于標(biāo)準(zhǔn)具間隔厚度d比波長λ大得多，中心處圓環(huán)的干涉級數(shù)K是很大的，因此用（K-2）或（K-3）代替K，引入的誤差可忽略不計。4、法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)器（F—P標(biāo)準(zhǔn)具）F—P標(biāo)準(zhǔn)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定起來。若兩平行的鍍銀平面的間隔不可以改變，則稱該儀器為法布里—珀羅干涉儀。標(biāo)準(zhǔn)具在空氣中使用時，干涉方程（干涉極大值）為標(biāo)準(zhǔn)具有兩個特征參量自由光譜范圍和分辨本領(lǐng)。：表明在給定間隔圈原度為d的標(biāo)準(zhǔn)具中，若入射光的波長在λ～λ+Δλ 間（或波數(shù)間）所產(chǎn)生的干涉圓環(huán)不重疊，若被研究的譜線標(biāo)準(zhǔn)具時，應(yīng)根據(jù)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(lǐng)（ 對于F—P標(biāo)準(zhǔn)具N為精細(xì)度，兩相鄰干涉級間能夠分辨的最大條紋數(shù)R為反射率，R一般在90%四、實驗步驟

（當(dāng)光近似于正入射時）1、垂直磁場方向觀察塞曼分裂按照實驗光路圖，安排個裝置的正確位置；（實驗光路圖）打開水銀輝光放電管電源；調(diào)節(jié)個儀器的光路使其共軸；調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)具；儀器調(diào)好后，鑒別兩種偏振成分：偏振片視窗上的紅線表示偏振片透振方向，鼠標(biāo)左方向會做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，望遠(yuǎn)鏡視窗中的分裂線也會隨透振方向的改變而改變。觀察塞曼裂距的變化：1鼠標(biāo)左鍵單擊（或按下不放望遠(yuǎn)鏡視窗中的塞曼裂距發(fā)生變化；鼠標(biāo)右鍵單擊或按下不放2坐標(biāo)圖移動，根據(jù)記錄的電流值，查出相應(yīng)的磁場強(qiáng)度值。2、平行于磁場方向觀察塞曼分裂按照實驗光路圖，安排個裝置的正確位置；（實驗光路圖）打開水銀輝光放電管電源；調(diào)節(jié)個儀器的光路使其共軸；調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)具；做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，望遠(yuǎn)鏡視窗中的分裂環(huán)會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。五、實驗觀察結(jié)果與分析１、垂直于磁場方向觀察塞曼分裂：觀察結(jié)果：當(dāng)偏振方向垂直于磁場方向時，只有中央三環(huán)消失，兩邊各有三環(huán)出現(xiàn)；當(dāng)偏振方向平行于磁場方向時，只有中央三環(huán)出現(xiàn)，兩邊各有三環(huán)消失。分析：按照實驗原理中對Hg546.1nm的譜線的一些簡單介紹可知，中央三環(huán)為π成分，兩邊六環(huán)為成分。由譜線在磁場中的能級分裂遵循塞曼躍遷的選擇定則可知，當(dāng)=0（即偏振方向平行于磁場方向）時，對應(yīng)的塞曼分裂譜線為成分，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才能觀察得到；（即偏振方向垂直于磁場方向）時，對應(yīng)塞曼分裂譜線為成分，垂直磁場觀察時為振動方向垂直于磁場的線偏振光。理論與實驗現(xiàn)象相吻合。觀察結(jié)果：當(dāng)偏振方向在一、三象限時，只有外內(nèi)環(huán)出現(xiàn)；當(dāng)偏振方向在二、四象限時，只有外環(huán)出現(xiàn)；分析：成分（正負(fù)）+45度（第一象限）+成分的--45度（第四象限環(huán)交替消失的原因。六、實驗數(shù)據(jù)與處理1、數(shù)據(jù)記錄一一二三四五電流I/A1.201.401.652.002.90磁場強(qiáng)度B/mt5256357509001155數(shù)據(jù)對應(yīng)重疊情況： 因為有又因為 12d

，d為5mm,所以~為定值，為100m1。有446.7B 98.07m113.546.7B2

103.79m1~ 346.7B 105.07m1~3~ 2.546.7B 105.07m1~4~ 246.7B 107.87m1~5所以驗證結(jié)果大致相同。e2、設(shè)計用塞曼分裂計算荷質(zhì)比m：對于正常塞曼效應(yīng)，分裂的波數(shù)差為L eB4mc代入測量波數(shù)差公式，得e cD2D2 K b a Da和Db分別為波長λa和λb的第K級干涉圓環(huán)的直徑，Km dB

D2K

D2，D2K

D2K

為同一波長λ相鄰兩級K和（K-1）級圓環(huán)直徑的平方差。已知d和B，從塞曼分裂的照片測出各環(huán)直徑，就可計算e/m。七、思考題、1、理論上（F—P）標(biāo)準(zhǔn)具兩相對反射面距離處處相等，實驗中往往不相等。如何判斷兩反射問題是否處處相等？如果不相等如何判斷哪邊d大，哪邊d?。拷猓阂罁?jù)d相等時，同一入射角θ對應(yīng)同一個d減小。2、為什么改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B，會看到相鄰兩級譜線的重疊，且是不同的重疊情況。解：因為改變B可以觀察到干涉紋不同的重疊或錯級情況：F—P標(biāo)準(zhǔn)具自由光譜范圍：物理意義：若兩譜線波長差>自由光譜范圍級。

（或 ，則兩套干涉環(huán)就要產(chǎn)生重疊或錯d塞曼裂距：

是個確定的值。所以3、為什么要強(qiáng)調(diào)磁場方向與觀察方向的關(guān)系？， 所對應(yīng)的圓偏振光類型與磁場方向關(guān)系。解：按角動量守恒原則，在輻射過程中原子和發(fā)射的光子作為整體，總的角動量是守恒的。原子在磁場方向角動量當(dāng) 時，原子在