塞曼效应-周丽霞

1、中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：班级：材料物理11-2 姓名： 闫霞 同组者：王佳宁 教师 周丽霞塞曼效应【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 （3-3-1）其中M为磁量子数，为波尔磁子，B为磁感应强度，g是朗德因子。朗德因子表征原子的总磁矩和总角动量的关系，定义为 （3-3-2）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

2、为总角动量量子数。 无外磁场时，能级E1和E2之间的跃迁产生频率为的光，即。而在磁场中，能级E1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。新谱线的频率与能级的关系为 (3-3-3)分裂后谱线与原谱线的频率差为 （3-3-4） （3-3-5）以汞的546.1 nm绿光谱线为例，说明谱线的分裂情况。该谱线是从（6S7S）3S1到(6S6P)3P2能级跃迁产生的。在外磁场作用下能级的分裂如图3-3-1所示。图3-3-1 Hg绿谱线塞曼分裂图2、观测塞曼分裂的方法用FP标准具测量塞曼分裂谱线波长差应用FP标准具测量各分裂谱线的波长或波

3、长差，是通过测量干涉环的直径来实现的，如图3-3-2所示，用透镜把FP标准具的于涉圆环成像在焦平面上，出射角为的圆环直径D与透镜焦距f间满足关系：对于近中心的圆环，很小，所以代人（3-3-8）式得 （3-3-9）由上式可推得，同一波长的相邻k和k-l级圆环直径的平方差为 （3-3-10）可见D2是与干涉级次无关的常数。设波长a和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 （3-3-11）用波数表示 （3-3-12）l 用FP标准具观测塞曼分裂，计算荷质比根据（3-3-7）式，对于正常塞曼效应分裂的波数差为代人（3-3-12）式，得 （3-3-13）【实验仪器】观察和测量

4、塞曼效应的实验仪器有直读式和CCD式两种，两者在基本结构上一致，只是在观察与读数装置上有所差别，前者使用读数显微镜，后者使用CCD摄像机与计算机配套。相比较而言，后者使用更为方便，因此作为我们的主要介绍内容。其结构如图3-3-4所示。1-光源；2-电磁铁；3-会聚透镜；4-偏振片5-干涉滤光片；6-FP标准具；7-CCD摄像机；8-计算机图3-3-4 塞曼效应实验装置图1、光源：光源采用笔型汞灯（水银辉光放电管），可插入电磁铁间隙。汞灯由专用变压器供电。使用过程中应避免磕碰。2、电磁铁：提供实验所需磁场，由专用磁铁电源供电。选择磁场大小时，应根据谱线的裂距及FP标准具的自由光谱范围确定，如果磁

5、场过强，部分圆环会产生重叠或交叉现象，给分辨带来困难。以Hg 的546.1nm谱线为例，其在磁场作用下分裂成9条谱线，总裂距为4L，要使相邻两级不发生重叠，B必须满足磁感应强度由特斯拉计测量，使用方法参阅说明书。加载或减小工作电流时应缓慢进行。在关闭与打开电源时，应保证工作电流最小，以免因感生电动势损坏电源。3、会聚透镜：将汞灯发出的光变为平行光束。4、偏振片：垂直于磁场方向观察时，用于滤去成分的光，只让成分的光通过。沿磁场方向观察时，用以鉴别偏振方向。5、干涉滤光片：选出Hg 的546.1nm谱线。6、FP标准具：产生干涉图样，用以测量波长差。实验室配备不同的FP标准具，其具体参数，如挡圈厚

6、度、中心波长等，应根据仪器说明书确定。调节FP标准具，必须在教师指导下进行。7、CCD摄像机：获得塞曼效应图谱，并传输给计算机。8、计算机：显示并测量塞曼效应图谱。处理塞曼效应图谱有专门的软件，其使用方法参阅软件的操作说明。有时，装置中包含滤波片，其作用是给圆偏振光以附加的/2相位差，使圆偏振光变成线偏振光，与偏振片配合，可以确定圆偏振光的旋转方向。【实验内容】通过实验观察Hg（546.1nm）绿线在外磁场中的分裂情况并测量电子荷质比。1、调节光路系统共轴。2、打开汞灯电源，等待一定时间，使汞灯工作稳定。如果使用图3-3-4所示的实验装置，应打开计算机，启动分析软件，设置必要的参数，并调整摄像

7、机角度，使图像显示居中。3、打开磁铁电源并调节，使产生适当强度的磁场。4、在垂直于磁场方向，观察有无磁场时的图谱，比较偏振片在不同角度时的图谱差异，根据原理中的介绍进行分析。5、对成分的塞曼分裂条纹，测量相邻三组条纹每个圆环的直径，计算波长差。6、计算电子荷质比，并与公认值（）比较。7、在平行于磁场方向观察塞曼分裂。【数据处理与分析】 1.有无磁场两种情况下的图谱分析。答：无磁场时，可以清楚地看到单线的圆环状干涉条纹；当加入磁场后，原来每条条纹会分裂成9条，其中6条线，3条线，但是在垂直磁场的方向上线与线是互相垂直，因此当线恰好完全透振时，线被全部挡住，此时是6套一组的干涉条纹；当偏振片再转过

8、90度时线就会被全部挡住，而此时是3套一组的干涉条纹。图331 无磁场时的图像图332有磁场时的图像 图333有磁场时六条分裂的2.手动点点画圆，运用计算机进行实验数据测量，如下所示:3.波长差、电子荷质比的计算。 表2：同级圆环的直径直径/ nmD3（内圆）D2（中圆）D1（外圆）K级108130148K-1级244254264K-2级330336344d1=47998 nmd21=5208 nmd22=-4737.33 nmB=1.119T，d=5mm由公式得,电子荷质比e/m=1.7451011c/kg，公认值（e/m=1.761011c/kg）相对误差a=(1.76-1.745)/1.

9、76100%=0.85%误差为0.85%在误差允许范围内。【误差分析】：手动取点、画圆、寻找圆心时会有人为原因产生的误差。另外， N0 , Ni 的值越大误差越小,所以,测量时测量条纹的数量尽可能多,定标时,也应测量尽可能长的标准尺长度。 测量磁场大小时，由于磁场分布不均匀或者测量点不精确，外部磁场等因素的影响造成实验误差。【实验现象与分析】：当偏振方向垂直于磁场方向时，中央三环消失，两边各有三环出现；当偏振方向平行于磁场时，只有中央三环出现，两边各有三环消失。由实验原理可知，中央三环为线，两边六环为线。由谱线在磁场中的能级分裂遵循塞曼跃迁选择定则可知，当M=0时，对应的塞曼分裂谱线为成分，是

10、振动方向平行于磁场的线偏振光，只有在垂直磁场方向观察得到；M=1时，对应的塞曼分裂谱线为成分，垂直磁场方向观察是为振动方向垂直于磁场的线偏振光。当没有外加磁场时，可以观察到一个清晰的圆。【思考题】 1、如何鉴别FP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：当观察图像时，若级数在增加，则该等倾干涉条纹所对应的厚度太厚，应适当减小厚度；相反若级数在减小，则适当增加厚度，直至从上下左右不同角度观察时，花纹不随眼睛移动而变化。 2、FP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，中间的级数最大。而牛顿环中间级数最小。【实验总结】本实验主要是通过汞的546.1 nm绿光谱线为例来验证塞曼效应，把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体，使其光谱发生变化，一条谱线会分裂成几条谱线，我们通过此实验证明了原子具有磁矩和空间去取向的量子化。本实验成功的关键在于要保持滤镜，会聚透镜，F-P标准具，CCD保持轴线统一，在实验过程中，各种仪器应尽量靠近光源，在实验开始时由于我们摆放仪器距离光源较