塞曼效应实验

1、中国石油大学近代物理实验实验报告 成 绩：班级姓名：同组者：教师：塞曼效应实验【实验目的】1、观测塞曼效应，把实验结果与理论结果进行比较。2、学习测量塞曼效应的实验方法。3、测量在磁场中谱线裂距并计算荷质比。【实验原理】1、谱线在磁场中的塞曼分裂原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩。总磁矩在磁场中将受到力矩的作用而绕磁场方向旋进。旋进所引起的附加能量为E Mg bB(3-3-1).J(J 1) L(L1) S(S 1)g 1(3-3-2)2J(J 1)其中L为总轨道角动量量子数，S为总自旋角动量量子数，J为总角动量量子数。对于LS耦合，当J 一定时，磁量子数 M只能取J, J-1,

2、J-2,，（，共（2J+1）个值。所以，无磁场时的一个能级，在外磁场的作用下将分裂成 （2J+1）个等间隔的子能级，能级间距为g BB。无外磁场时，能级E1和E2之间的跃迁产生频率为 v的光，即h E2 E1。而在磁场中，能级 曰和E2都发生分裂，一条光谱线将变为几条光谱线。如果是分裂为三条，称为正 常塞曼效应，多于三条的称为反常塞曼效应。新谱线的频率v 与能级的关系为h E2E2E1 已(3-3-3)分裂后谱线与原谱线的频率差为M 2g2 M 1 g 1 B B/h(3-3-4)代入波尔磁子he-得到mM 2 g2M 1 g1eB4 m(3-3-5)若用波数表示，则M2g2MQ1eB4 mc

3、(3-3-6)引入洛伦兹单位LeB4 mcB 46.7 m 1 T 1，则M 2g2M 1g1 L (3-3-7)42、观测塞曼分裂的方法塞曼分裂的波长差很小， 一般的摄谱仪器是无法分辨的， 必须采用分辨率较高的干涉型 谱仪，如迈克尔迅干涉仪、法布里一波罗( Fabry Perot)标准具等。实验中，我们采用法 布里一波罗标准具，其简称 F P标准具。图3-3-2F P标准具结构与光路图F P标准具的光路如图 3-3-2所示。自扩展光源 S上任一点发出的单色光射到标准具 板的平行平面上，经过Mi和M2表面的多次反射和透射，分别形成一系列相互平行的反射光束1、2、3、4、和透射光速I 、2、3、

4、4、，在透射的光束中，相邻两光束的光 程差为 2nd cos ，这一系列平行并有确定光程差的光束在无穷远处或透镜的焦平面上 成干涉像。当光程差为波长的整数倍时产生干涉极大值。一般情况下FP标准具反射膜间是空气介质，n 1，因此干涉极大值为2d cos k(3-3-8)k为整数，称为干涉级。由于FP标准具的间隔d是固定的，在波长入不变的情况下，不同的干涉级对应不同的入射角因此，使用扩展光源时，F P标准具产生等倾干涉，干涉条纹是一组同心圆环。中心圆环级次最大， kmax 一，级次越向外越小。用F - P标准具测量塞曼分裂谱线波长差应用F - P标准具测量各分裂谱线的波长或波长差，是通过测量干涉环

5、的直径来实现的，如图3-3-2所示，用透镜把 F P标准具的于涉圆环成像在焦平面上，出射角为B的圆环直 径D与透镜焦距f间满足关系：ta nD2f对于近中心的圆环，B很小， tan ，所以代人(3-3-8)式得cos221 2si n21 -2 2D28f 22dD21 8f2(3-3-9)(3-3-10)4 fD Dk1 Dk 飞可见D2是与干涉级次无关的常数。设波长入a和入b的第k级干涉圆环的直径分别为 Da和Db,根据上两式得波长差为用波数表示2Db2D22dDk 1Dk1Db2Da2dD21D2abab(3-3-11)(3-3-12)由于FP标准具间隔圈厚度 d比波长入大得多，中心处圆

6、环的干涉级数k是很大的,因此用（k-2）或（k-3）等近中心圆环代替k或（k-1）引入的误差可忽略不计。%根据（3-3-7）式，对于正常塞曼效应分裂的波数差为-L旦4 mc用F-P标准具观测塞曼分裂，计算荷质比代人（3-3-12 ）式，得e 2 c D： D；2 2m dB Dk 1 Dk(3-3-13)对于反常塞曼效应，分裂后相邻谱线的波数差是洛伦兹单位 一点，用同样的方法也可计算电子荷质比。L的某一倍数，注意到这【实验装置】1、光源 2、电磁铁 3、会聚透镜 4、偏振片 5、干涉滤光片6、F P标准具7、CCD摄像机 8、计算机【实验数据处理】图1. n线图图2.。线图EfiH图3. n线

7、与。线共存图Hg未加磁场时，能级不发生分裂，电脑显示的干涉条纹是一组同心圆环。加磁场后，(546.1 nm)绿线发生塞曼分裂，转动偏振片，偏振片角度与线平行时，会看到分裂图样 为三条的b线，偏振片与n线平行时会看到六条的n线，当两条线在偏振片方向投影均不为零时b线与n线共存的九条分裂谱线。图4. n成分的塞曼分裂条纹的处理分析图磁场 B=1.15T得荷质比为e/m 1.79 1011C/kg相对 E= (1.83-1.79) /1.79X 100%=2.23%误差分析：实验误差可能是由于 F-P标准具未调节平行， 图像模糊选点不准确， 产生测量误差。外界 电磁场的干扰，以及实验仪器本身存在一定

8、的误差。【思考题解答】1、如何鉴别F P标准具的两反射面是否严格平行，如发现不平行应该如何调节？答：在计算机显示器上若出现清晰的明暗相间胡的圆环则两反射面严格平行，否则就不 严格平行。若联平行则调节 F P标准具后面的三个螺丝，先固定一个调另外两个，使显示 器上出现清晰的明暗相间胡的圆环，从而精确调节两玻璃板内表面之间的平行度。2、F P标准具与牛顿环装置、迈克尔逊干涉仪在工作原理和干涉图样上有何区别？答：牛顿环是一种用分振方法实现的等厚干涉现象，是一些明暗相间的同心圆环。迈克 尔逊干涉仪是一种分振幅双光束干涉仪，用屏观察干涉花样时， 取不同的空间位置和空间取向，原则上可以观察到圆、椭圆、双曲线和直线条纹。塞曼效应所产生的干涉图中，每级产 生3条条纹，中间的级数最小。而牛顿环中间级数最大。【总结反思】通过本次对塞曼效应的观测，我学会了测量塞曼效应的实验方法，并计算得出了磁场 中谱线裂距并和荷质比。本次试验的重点与难点是对仪器调节，要想试验成功需要先调节出清晰的无磁场曲线, 从而才能在后