塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

講授內(nèi)容備注塞曼效應(yīng)1896年塞曼發(fā)現(xiàn)將光源放在足夠強(qiáng)的磁場中時(shí)，原來的一條譜線分裂成幾條譜線，分裂后的譜線是偏振的，分裂成的條數(shù)隨躍遷前后能級的類別而不同。后人稱此現(xiàn)象為塞曼效應(yīng)。塞曼效應(yīng)可反映出原子狀態(tài)，由譜線分裂層數(shù)可以知道，由分裂譜線之間的能級間隔可以導(dǎo)出，至今塞曼效應(yīng)仍是研究原子結(jié)構(gòu)最有效的方法之一，并在現(xiàn)代激光技術(shù)中有著重要作用。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．觀察汞5461埃光譜線的塞曼效應(yīng)，并測量它分裂的波長差。2．測定電子的荷質(zhì)比值。二、實(shí)驗(yàn)原理1、原子的總磁矩和總角動(dòng)量的關(guān)系本實(shí)驗(yàn)中所涉及的是汞原子的兩個(gè)電子的LS耦合，。在LS耦合的情況下，原子的總軌道磁矩與總軌道角動(dòng)量的大小關(guān)系為總自旋磁矩與總自旋角動(dòng)量的關(guān)系為，由于比值不同于比值，總磁矩矢量不在總角動(dòng)量的方向上。但由于繞的進(jìn)動(dòng)，只有在方向的投影對外界來說平均效果不為零。得到與的大小關(guān)系為其中稱為朗德因子，可以算出為它表征了原子的總磁矩與總角動(dòng)量的關(guān)系，并且決定了分裂后的能級在磁場中的裂距。2、外磁場對原子能級的作用原子在外磁場B的作用下產(chǎn)生的附加能量為：其中角與角的關(guān)系見圖2。由于在磁場中的取向是量子化的，既磁量子數(shù)共有個(gè)值。由上兩式得：3、塞曼效應(yīng)的選擇定則設(shè)某一光譜線在未加磁場時(shí)躍遷前后的能級為E2和E1，則譜線的頻率決定于在外磁場中，上下能級分別分裂為和個(gè)子能級。新的譜線頻率決定于所以分裂后譜線與原譜線的頻率差為用波數(shù)來表示為式中為玻爾磁子，，稱為洛侖茲單位，。但是，并非任何兩個(gè)能級的躍遷都是可能的，在能級躍遷時(shí)，磁量子數(shù)受到選擇性定則和偏振定則所限制。（1.）選擇性定則：（當(dāng)被禁止（2.）偏振性定則：方向躍遷 垂直橫向塞曼效應(yīng)平行縱向塞曼效應(yīng)直線偏振，成分無光直線偏振，成分右旋圓偏振直線偏振，成分左旋圓偏振（3）說明：（ⅰ）為光傳播方向矢量，為外磁場方向。（ⅱ）成分表示光波的電矢量平行于，成分表示垂直于.（ⅲ）在光學(xué)中，如果光線對于觀察者迎面而來，這時(shí)電矢量若按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，我們稱之為左旋圓偏振光；若逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則稱之為右旋圓偏振光。4、汞綠線在外磁場中的塞曼效應(yīng)這條線是從能級躍遷到而產(chǎn)生的。（1）和能級的各項(xiàng)量子數(shù)的數(shù)值。量子數(shù)上能級下能級01111223/21，0，-12，1，0，-1，-22，0，-23，3/2，0，-3/2，-3（2）裂距與偏振情況：，2，0，-2，3，3/2，0，-3/2-3裂距2，3/2，1，1/2，0，-1/2，-1，-3/2，-2偏振態(tài)，，，，，，，，本實(shí)驗(yàn)中所觀察的汞綠線5461對應(yīng)于躍遷。其能級及其躍遷情況如下圖所示：圖汞綠線的塞曼效應(yīng)及譜線強(qiáng)度分布由圖可見，上下能級在外磁場中分別分裂為三個(gè)和五個(gè)子能級。在能級圖上畫出了選擇規(guī)則允許的九種躍遷。在能級圖下方畫出了與各躍遷相應(yīng)的譜線在頻譜上的位置，它們的波數(shù)從左到右增加，并且是等距的。三、實(shí)驗(yàn)裝置J為光源，本實(shí)驗(yàn)用筆型汞燈作為光源。N,S為電磁鐵的磁極，用配套穩(wěn)流源供電。電流與磁場的關(guān)系可用高斯計(jì)進(jìn)行測量。、為會(huì)聚透鏡，使通過標(biāo)準(zhǔn)具的光強(qiáng)增強(qiáng)。P為偏振片，在垂直于磁場方向觀察用以鑒別成分和成分；在沿著磁場方向觀察時(shí)，結(jié)合1/4波片的使用，用以鑒別左旋或右旋圓偏振光。F-P為法布里-伯羅標(biāo)準(zhǔn)具。和分別為顯微鏡的物鏡和目鏡，在沿磁場方向觀察時(shí)用它觀察干涉圖樣。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、參照使用說明書，調(diào)節(jié)好直讀式塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀。調(diào)節(jié)各光學(xué)元件與光源（汞燈）等高，共軸（注意縱向塞曼效應(yīng)中光源高度）。調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具和顯微鏡的位置，使視場內(nèi)照明均勻，并使干涉圓環(huán)清晰可見。標(biāo)準(zhǔn)具的調(diào)整。調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具的三個(gè)螺絲，使得產(chǎn)生的干涉圓環(huán)清晰明亮，并使得圓環(huán)與目鏡劃線間無視差（這步驟調(diào)節(jié)好后，不必再亂調(diào)）。橫向塞曼分裂垂直磁場方向觀察（橫效應(yīng)）。調(diào)節(jié)電流由零至1.5A，觀察塞曼分裂情況,這時(shí)，會(huì)看到原來的一條譜線將分裂為9條，然后，放上偏振片（橫向觀察時(shí)，不用1/4波片）調(diào)節(jié)慢軸方向0，45，90，將會(huì)發(fā)現(xiàn)，有時(shí)，一些譜線消失，有時(shí)，一些消失的譜線又將重新出現(xiàn)，即出現(xiàn)成分和成分。3、用特斯拉計(jì)測量磁感應(yīng)強(qiáng)度值。4、干涉圓環(huán)直徑測量和計(jì)算裂距及e/m：5、觀察縱向塞曼效應(yīng)：抽去鐵芯，將磁鐵旋轉(zhuǎn)90，用1/4波片及偏振片分析其偏振性質(zhì)，將會(huì)發(fā)現(xiàn)，原來的一條譜線分裂為6條，結(jié)合1/4波片和1/2波片的使用，能觀察到左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。五、注意事項(xiàng)1、汞燈電壓高，注意安全。2、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，必須將汞燈和電磁鐵電流調(diào)至零時(shí)，才能關(guān)閉供電箱電源開關(guān)。3、必須小心保持磁極，不要使磁極端面受撞或劃痕。4、磁鐵有強(qiáng)磁性，手表不要靠近。5、因筆型汞燈發(fā)出強(qiáng)紫外線，不要用眼睛直接觀察。6、使用特斯拉計(jì)測量磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，注意不要損壞探頭，使用后應(yīng)蓋筆帽兒。六、思考題在實(shí)驗(yàn)中，要沿磁場方向觀察塞曼效應(yīng)，應(yīng)如何安排實(shí)驗(yàn)裝置？觀察到的干涉圖樣如何？如何調(diào)節(jié)法布里-伯羅標(biāo)準(zhǔn)具？七、補(bǔ)充知識(shí)1、F-P標(biāo)準(zhǔn)具的原理及性能：F-P標(biāo)準(zhǔn)具是由兩塊平面玻璃板中間夾有一個(gè)間隔圈組成。是一種利用多光束干涉來測量波長的儀器，其測量性能要優(yōu)于棱鏡和光柵。

其同一級條紋的相臨兩個(gè)圓環(huán)的波長差為：2、調(diào)節(jié)方法目觀法：用單色面光源，經(jīng)透鏡變?yōu)槠叫泄馐鶆蛘彰鳂?biāo)準(zhǔn)具，可以看見一組同心干涉圓環(huán)，當(dāng)眼睛上下移動(dòng)時(shí)，如果標(biāo)準(zhǔn)具兩個(gè)內(nèi)表面嚴(yán)格平行，即各處的d值相同，花紋的大小不隨眼睛移動(dòng)而變化；若標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)內(nèi)表面成楔形，如果眼睛移動(dòng)的方向是d增大的方向，則有干涉條紋從中心冒出來。這時(shí)，就把這個(gè)方向的螺絲壓緊，或把相反方向的螺