塞曼效應(大學近代物理實驗)概要-

一、背景介紹二、實驗目的三、實驗原理四、實驗儀器五、實驗內(nèi)容與步驟六、注意事項七、思考題一、背景介紹1896年開始，塞曼逐步發(fā)現(xiàn)，當光源放在足夠強的磁場中時，所發(fā)出的光譜線分裂成若干條。條數(shù)隨能級的類別而不同。而分裂后的譜線成份是偏振的。這種現(xiàn)象稱為塞曼效應。

塞曼研究磁場對光譜的作用，是受著名英國物理學家法拉第的啟示。塞曼(Pieter

Zeeman)1865～1943諾貝爾物理學獎(1902年)1845年法拉第發(fā)現(xiàn)了平面偏振光通過在強磁場作用下的玻璃偏振面會旋轉(zhuǎn)的事實。后來又發(fā)現(xiàn)，不只是玻璃，許多物質(zhì)都具有這一特性。法拉第認為：“磁力和光彼此是有聯(lián)系的?！?875年，物理學家John

kerr在法拉第思想的激勵下，注意到玻璃片在強電場下對光有雙折射作用，次年又發(fā)現(xiàn)平面偏振光經(jīng)電磁鐵的磁極反射后，變成了橢圓偏振光。1895年前后，塞曼放下kell效應的研究，想試一試磁場對鈉焰的光譜有沒有影響，卻都沒成功但他堅持作了下去。他根據(jù)法拉第的想法，用羅蘭凹面光柵和強大的電磁鐵，發(fā)現(xiàn)鈉黃線在磁場的作用下變寬，后來又觀察到鎘蘭線在磁場的作用下分裂成兩根與三根；不久洛侖茲根據(jù)經(jīng)典電子論解釋了分裂為三條的正常塞曼效應。這一發(fā)現(xiàn)引起了很多物理學家開展廣泛研究，然而，大多數(shù)情況卻與經(jīng)典電子論的理論結(jié)果不符，這叫反常塞曼效應。促使1921年朗德提出g因子概念，

1925年泡利提出不相容原理，同年烏倫貝克和哥德斯密特提出電子自旋，從而推動量子理論的發(fā)展。塞曼效應證實了原子具有磁距和空間量子化，至今仍是研究能級結(jié)構(gòu)的重要方法之一。二、實驗目的

1、觀察汞的546.074nm譜線在磁場中分裂的情況，加深對原子結(jié)構(gòu)的認識；

2、測量上述譜線在磁場中分裂的裂距，求出e/m值；

3、學習法布里——珀羅標準具的原理、調(diào)節(jié)和使用。三、實驗原理

塞曼效應是由于電子的軌道磁矩與自旋磁矩共同受外磁場的作用而產(chǎn)生的。

電子從高能級向低能級躍遷時會發(fā)光。一定的光譜線對應于一定的能級間的躍遷。例如汞的

546.074nm譜線是6S7S3S到6S6P3P2躍遷的結(jié)果。譜線在磁場中分裂這一事實，反映了能級在磁場中

發(fā)生了分裂，也即原子在磁場中獲得了附加能量。運用量子力學。可以對塞曼效應作出滿意的解釋。1．原子的總磁矩

原子中的電子在作自旋運動的同時還作軌道運動。因此它具有自旋角動量 和自旋磁矩 ,以及軌道角動量 和軌道磁矩

總磁矩則是與的合成。由于與的比值不同于與的

比值,所以不在總角動量的延長線上。但是,和都是繞著旋進的,因此、和也都是繞著的延長線旋進的。如果把分解成方向在延長線的分量和與之垂直的另外一個分量,則后者在繞轉(zhuǎn)動時,對外的平均效果完全抵消。這樣,對外發(fā)生效果的只是。因此,人們就將稱之為“原子總磁矩”。進行矢量迭加運算后得：其中的g稱為朗德因子。對于LS耦合

所以只要知道原子態(tài)性質(zhì),就可以算出原子總磁矩;反之,從對原子磁性的研究,也可以提供有關原子態(tài)的線索。2．外磁場作用下原子能級的分裂原子具有總磁矩 ,處在外磁場中就要受到場的作用,其效果是總磁矩繞磁場的方向作旋進,也就是總角動量

繞外磁場方向旋進。旋進引起的附加能量可以證明是代入有：β是α的補角。在磁場方向的分量只但

與 在磁場中的取向是量子化的，能取如下數(shù)值：M是磁量子數(shù)，它只能?。篗=J,J-1,。。。,-J+1,-J共2J+1個值。每一個M值相當于的一個可能的取向。由以上兩式得：式中的 稱為玻爾磁子這樣,沒有外磁場時的一個能級,在外磁場作用下將分裂成2J+1個子能級。每個子能級的附加能量由上式?jīng)Q定,它正比于磁場強度B和朗德因子g。3.能級分裂下的躍遷設某一譜線是由能級E2和E1間的躍遷產(chǎn)生的,則在該譜線的頻率與能級差有如下關系:在外磁場的作用下,上、下兩能級分別分裂為2J2+1和2J1+1個子能級,附加能量分別為ΔE2和ΔE1。則由能級間的躍遷而產(chǎn)生的新譜線的頻率 滿足。與無磁場時的譜線相比，頻率改變?yōu)橛貌〝?shù)（）差 來表示，則有其中 稱為洛侖茲單位。若B的單位用T（特斯拉）則L的單位為

/cm躍遷時M的選擇定則與譜線的偏振情況如下：選擇定則：

(當ΔJ＝0時，ΔM被禁止),當ΔM

=0時，產(chǎn)生的偏振光為π成分。垂直于磁場觀察時(橫效應)，線偏振光的振動方向平行于磁場。平

行于磁場觀察時，π成分不出現(xiàn)。

當ΔM

=±1時，產(chǎn)生向觀察時(橫效應)，線。沿垂直于磁場方線為振動方向垂直于磁場的線振動光。沿磁場方向觀察時，

線為圓偏振光。4.汞的546.074nm譜線的塞曼效應汞的546.074nm譜線是

到 躍遷的結(jié)果。上能級分裂為三個子能級，下能級分裂為五個能級，選擇定則允許的躍遷共有九種。因此，原來的譜線將分裂成九條譜線。分裂后的九條譜線是等距的，間距都為二分之一的洛侖茲單位，九條譜線的光譜范圍為4個洛侖茲單位。各線段的長度表示譜線的相對強度。用上面所述的方法，可以求出它的塞曼分裂。下圖表示在外磁場作用下，

和 能級的分裂。表176LSJg0112M

1Mg

21123/20 -1

210-1 -23

3/20 -3/2 -3表2M0 -2210-1-2↙32

0 -2↓

↙↘

↓

↙↘

↓

↘3/2

0 -3/2-3及偏振態(tài)-2/21/2-3/20-4/2

4/2-1/2

（右邊為π成分）3/2

2/2在外磁場作用下，和 能級的分裂各光線的偏振態(tài)選擇定則K⊥B（橫向）K∥B（縱向）△M=

0線偏振光π成分無光振動方向平行磁場△M=＋1線偏振光σ成分右旋圓偏振光△M=－1線偏振光σ成分左旋圓偏振光振動方向垂直磁場四、實驗儀器法拉第效應--塞曼效應綜合實驗儀1、電源說明：A、勵磁電源電壓、電流顯示轉(zhuǎn)換開關；B、勵磁電源電壓或電流顯示（電壓單位：伏特，電流單位：安培）；C、勵磁電源電流調(diào)節(jié)旋鈕（順時針增大）；D、磁感應強度顯示調(diào)零旋鈕；E、磁感應強度顯示（單位：特斯拉）；F、電源開關（控制勵磁電源和磁感應強度測量）；G、勵磁電源正常工作指示燈；H、勵磁電源電壓調(diào)節(jié)旋鈕（順時針增大）；I、勵磁電源非正常工作指示燈（指示勵磁電源過熱）；J、磁感應強度測量校正旋鈕（出廠時已校正完成，勿輕易調(diào)節(jié)）；K、筆形汞燈電源開關（“按下去”為“接通電源”,此時汞燈發(fā)光）。2、汞光譜燈—本實驗中用作光源，產(chǎn)生汞的譜線。注意光譜燈同時產(chǎn)生較強紫外線。應避免直接觀測光源。3、電磁鐵—磁場由電磁鐵提供。調(diào)節(jié)激磁電源電流的大小可以獲得不同強度的磁場。電流值由直流電流表讀出。

3、高斯計——系根據(jù)霍爾效應設計的一種測量磁場強度的儀器。使用前請仔細閱讀說明書。特別要保護探頭，因為霍爾片就在探頭內(nèi)，極易損壞。4、偏振片——偏振片用于檢出一定方向的線偏振光。

5、F-P標準具——塞曼分裂的波長差是很小的，這一點可以通過自己估計其數(shù)量級來加以理解。因此一般的光譜儀是難以觀察到其分裂現(xiàn)象的。F-P標準具的分辨率很高，而且構(gòu)造簡單。本實驗用它來觀察和測量譜線的分裂。F-P標準具(1)F-P標準具的原理及性能F-P標準具由兩塊平面平晶及中間的間隔圈組成。平晶內(nèi)表面需經(jīng)過精密加工,精度高于λ/20。內(nèi)表面鍍有高反射膜,反射率高于90%。間隔距離可通過螺絲調(diào)節(jié)。以保證兩內(nèi)表面嚴格平行。設A,B兩平面間的距離為d,空氣折射率

n≈1,則相鄰兩束透射光之間的光程差便是△=2dcosφ，因此，產(chǎn)生干涉極大時應滿足△=2dcosφ=kλ式中k為整數(shù),φ為入射角。(2)F-P標準具的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)標準具時,主要是要使兩個內(nèi)表面嚴格平行。將光源,透鏡和標準具按規(guī)定放好。水平移動標準具找到干涉環(huán),使其中心位于反射片的中心。左右移動眼睛觀察。如果在移動過程中有冒環(huán)或吸環(huán)的現(xiàn)象,則說明兩個內(nèi)表面水平方向不平行。這時可以調(diào)節(jié)標準具下方的兩個螺絲。冒環(huán)方向相應的間距大,因此應將這個方向的螺絲旋緊,或者把另一方向的螺絲放松。通過調(diào)節(jié),應達到左右移動眼睛時,無冒環(huán)或吸環(huán)現(xiàn)象。然后再豎直移動眼睛,如果眼睛上移時出現(xiàn)冒環(huán),可以旋緊上方螺絲或同時放松下方的兩個螺絲;反之,可以放松上方螺絲或同時放松下方的兩個螺絲。依此,在水平和豎直兩個方向反復多次調(diào)節(jié),達到無論怎樣移動眼睛,均不出現(xiàn)冒環(huán)和吸環(huán)現(xiàn)象。這時用望遠鏡觀察就可看到細而銳的干涉環(huán)了。標準具測量波長差的公式：式中D表示圓環(huán)的直徑，f為透鏡的焦距，d為法-泊板間的距離。

由上式可見，公式左邊第二項的負號表明直徑愈大的干涉環(huán)紋序愈低。同理，對于同一級序的干涉環(huán)直徑大的波長小。

對于同一波長相鄰級項k和k-1圓環(huán)直徑分別為Dk和Dk-1，其直徑平方差用ΔD2表示，可得■ΔD2=

D2K-1—

D2K=

4λf2k由上可知ΔD2是與干涉級項k無關的常數(shù)。對于同一級項不同波長、λb、、、、λc而言，相鄰兩個環(huán)的波長差Δλab的關系上由式得：Δλab=λa-λb=

d（D2b-

D2a）/

4f2kΔλbc=λb-λc=

d（

D2c-D2b）/

4f2k由于F-P標準具中，大多數(shù)情況下，cos

φ=1

∴

K

=

2d/λ于是有：Δλab=λa-λb=λ2

（D2

-

D2

）/

2d

(D2

-

D2

）b

a K-1

KΔλbc=λb-λc=

λ2

（D2

-

D2

）/

2d

(D2

-

D2

）b

c K-1

K用波數(shù)表示：測量并計算荷質(zhì)比對于正常的塞曼效應,分裂譜線的波數(shù)差為五、實驗內(nèi)容與步驟1、橫向觀察塞曼分裂（1）轉(zhuǎn)動電磁鐵，使之橫向放置，調(diào)節(jié)測量臺，使筆型汞燈豎直放置在磁隙正中，接通汞燈電源。在光學導軌上依次安放聚光透鏡、濾光片、法布里-珀羅標準具、刻度盤、成像透鏡、讀數(shù)顯微鏡，調(diào)節(jié)平行、同軸；通過讀數(shù)顯微鏡目鏡觀察同心環(huán)

形干涉條紋，此時再調(diào)節(jié)法布里-珀羅標準具下的仰角調(diào)節(jié)旋鈕，使干涉環(huán)正好成像在目鏡正中心，再調(diào)節(jié)法布里-珀羅標準具上的三個壓腳螺絲，使標準具內(nèi)兩鏡面嚴格平行，此時干涉圓環(huán)應均勻、同心；加上濾光片，關掉實驗室內(nèi)的電源（以下實驗在暗室內(nèi)完成，具體細節(jié)操作可以借助小電筒照明，但通光時間不易過長），此時可以在目鏡視界內(nèi)看到銳細的汞光譜干涉條紋；打開勵磁電源，加上磁場，可以看到銳細干涉圓環(huán)變粗，仔細調(diào)節(jié)讀數(shù)

顯微鏡位置，并慢慢增加磁場，可以

看到干涉圓環(huán)逐漸清晰，仔細觀察可

以看出變粗的條紋是由九條細線組成；加上偏振片，旋動調(diào)節(jié)旋鈕，仔細觀察干涉圓環(huán)的變化，調(diào)節(jié)至適當位置，可以發(fā)現(xiàn)先前的每個銳細環(huán)分裂成三個亮環(huán)，借助小電筒，通過讀數(shù)顯微鏡上的鼓輪測量圓環(huán)的直徑，求出汞的塞曼分裂波數(shù)值，確定分裂譜線的相應能級的量子數(shù)與因子，根據(jù)實驗結(jié)果畫出相應的能級躍遷圖。2．測定，進而求出電子的荷質(zhì)比e/m數(shù)據(jù)處理1、由公式計算出同級的兩個波數(shù)差，要求測一個級次兩個波數(shù)差。2、由公式計算出電子的荷質(zhì)比，并和理論值比較算出

相對誤差。其中В是外加磁場強度。當給直流電磁鐵加上一定的電流時，就有一定的磁場В,實驗可以用毫特斯拉記測量。六、注意事項

1.法布里-珀羅標準具等光學元件應避免沾染灰塵、污垢和油還應該避免在潮濕、過冷、過熱和酸堿性蒸汽環(huán)境中存放和使

2.光學零件的表面上如有灰塵可以用橡皮吹氣球吹去。如表面有污漬可以用脫脂、清潔棉花球蘸酒精、乙醚混合液輕輕擦拭

3.電磁鐵在完成實驗后應及時切斷電源，以避免長時間工作使線圈積聚熱量過多而破壞穩(wěn)定性；4.汞燈放進磁隙中時，應該注意避免燈管接觸磁頭；七、思考題何謂正常塞曼效應？何謂反常塞曼效應？實驗光路中各個光學器件的作用是什么？為何只測量橫效應的π成份，就能保證e/m的正確測量？4、如何調(diào)節(jié)聚光鏡L1和成像透鏡L2與光源共軸？L1在光具座上的位置對干涉圓環(huán)的亮度有無影