5塞曼效应实验

1、塞曼效应实验实验目的1观察汞光在磁场中的塞曼分裂现象2、测量塞曼分裂相邻能级的波数差3、学习法布里珀罗标准具的调节。实验仪器塞曼效应仪实验原理e(1)能级分裂：原子中的电子作自旋与轨道运动，使得原子具有一定的磁矩J g PJ，其中2mPJJ J 1 为总角动量，在 L S 耦合的情况下朗德因子为j j I LL1 SS1g 1。原子磁矩在外磁场中受到力矩L j B的作用使 j绕磁场2J J 1ee方向作旋进，产生附加能量E jBcos gPjBcosMg B，由于巳 j在外磁场2m2m中的取向量子化，即磁量子数M=J , J-1.-J有2J 1个可能值，因而有外磁场时原来的一个能级分裂为2J+

2、1个能级。(2 )光谱分裂：-光谱线在 B=0时，hE2 E1 ；B 0时，新的谱线hE2E2E1E1hM 2 g2e BM 1 g1(选择疋则2mM 0, 1 )以汞光546.1nm的谱线跃迁的两能级(2 S r3P 2)为例，在有磁场时看能级的塞曼分裂与跃迁：34 P 2 ,在磁场中将发生反常塞曼2.(3)本实验观测波长为546.1 nm的谱线的塞曼分裂跃迁为S re效应，塞曼裂距为一 M2g2 M1g1对于如图所示的分裂有4 me22 k( i)Dk2d D2k i D2kM 2g2 M i g2(d 2.7mm)4 me(1)Dbk 1 Dak 1分别为相邻的b谱线a谱线的k-1级干涉

3、环直径，Dbk为b谱线的第k级干涉环直径， d为标准具内两夹板玻璃内表面的距离。实验内容与步骤1按图调节光路。汞灯与磁极的距离保持1mm左右，各光学元件共轴，使光源在会聚透镜焦平面上，光均匀照射到标准具上；调节标准具两平行面严格平行，调整测微目镜使之观察到清晰明锐的干涉园环。（此时不加磁场，调节标准具时，望远镜远离标准具才能成清晰的像的部分，调节时要压紧原来不清晰部分方 向的螺丝，望远镜靠近标准具才能成清晰的像的部分，调节时要放松原来不清晰部分方向的螺丝，直至眼 睛上下左右移动，均无干涉环吐出或吞进。）2、观察有磁场及无磁场时的谱线情况（1）在无磁场时观察谱线的情况。（2）加上磁场，观察谱线分

4、裂的情况，即谱线的条数，亮度、区分谱线的成份和成份。在标准具与观察望远镜间加入偏振片，转动偏振片观察谱线的偏振情况。3、测出Dbk 1 Dak 1及Dbk ,代入（1）式中计算 （要求每测量三次取平均值）。实验注意与思考1. 电磁铁长时间通较长时间电流（1A以上）线圈会发热，故在观察和测量完以后，要及时减少电流为零。2. 从塞曼分裂谱中如何确定能级的J量子数，如何确定能级的 g因子？塞曼效应原理及实验方法塞曼分裂谱线与原谱线关系磁矩在外磁场中受到的作用（1） 原子总磁矩 在外磁场中受到力矩的作用其效果是磁矩绕磁场方向旋进,也就是总角动量（Pj）绕磁场方向旋进。（2）磁矩贬F在外磁场中的磁能由于

5、或再在磁场中的取向量子化，所以其在磁场方向分量也量子化:爲片= Mh = v原子受磁场作用而旋进引起的附加能量M为磁量子数，g为朗道因子，表征原子总磁矩和总角动量的关系，g随耦合类型 不同（LS耦合和jj耦合）有两种解法。在LS耦合下：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 M只能取J, J-1, J-2-J （共2J+1）个值 即AE有（2J+1）个可能值。无 外磁场时的一个能级，在外磁场作用下将分裂成（2J+1）个能级，其分裂的能级 是等间隔的，且能级间隔塞曼分裂谱线与原谱线关系7定义分裂后谱线与原谱线频率差由于为方便起见，常表示为波数差（1） 基本出发

6、点:B - 0E于0上2一+ . n -/：- vrV 11_ 1 丄 i ； |723塞曼分裂谱线的偏振特征塞曼跃迁的选择定则为： M=0时为n成份（n型偏振）是振动方向平行于磁场的线偏振光，只有在垂直于磁场方向才能观察到，平行于磁场方向观察不到；但当 J=0时，M2=0到Mi=0的跃迁被禁止。当 M=l时，为c成份，c型偏振垂直于磁场， 观察时为振动垂直于磁场的线偏振光。平行于磁场观察时，其偏振性与磁场方向及观 察方向都有关：沿磁场正向观察时（即磁场方向离开观察者：） M= +1为右旋圆偏振光（C偏振） M=-1为左旋圆偏振光（C偏振）也即，磁场指 向观察者时：。國 M= +1为左旋圆偏振

7、光 M=-1为右旋圆偏振光分析的总思路和总原则：在辐射的过程中，原子和发出的光子作为整体的角动量是守恒的。原子在磁场方向角动量为在磁场指向观察者时：。國 当 M= +1时，光子角动量为，与同向电磁 M=-1时，光子角动量为例：Hg 5461?谱线，6S7S3Si 6S6P3P2 能级跃迁产生分裂后，相邻两谱线的波数差实验方法观察塞曼分裂的方法塞曼分裂的波长差很小由于以Hg 5461 ?谱线为例当处于B=1T的磁场中L 1匸 = = 一.：丄 b / = 0.9), 因多光束干涉获得极高的分辨本领。满足干涉极大的两相邻光束的光程差为=2n d cos =k 入(3.1- 9)表征法-珀标准具的两

8、个参量是自由光谱范围和分辨本领。(1) 自由光谱范围所谓自由光谱范围即所能研究的最大光谱范围，它等于移动一个条纹时波长的改变。如以某单色光为基准，其自由光谱范围可表示为入=(3.1-10 )更有意义的是用波数来表示，则有 = =(3.1-11 )即用波数表征的自由光谱范围是一仅与间隔厚度及间隔中介质折射率有关的恒量。例如对于 d = 0. 2 00 cm的空气层，若 A 5 4 6 1?,则后 0. 7 5?, =2.5cm 一1。(2) 分辨本领按照瑞利判据，分辨本领由透射光强I D最大值的半宽度决定。透射光强I D与反射系数 R及两相邻光束的位相差 S的关系称为爱里公式：I D= I0(3

9、.1-12 )因而用位相表示的半宽度,在考虑到R 1时有&(3.1-13)相应可分辨的频率间隔d与自由光谱范围 (=c )之间的关系为=(3.1-14)所以分辨本领的表示式是=(3.1-15 )即分辨本领主要由反射系数R决定：R越高，分辨本领越大。例如 D = 0. 2 00 cm的空 气层，对入= 5 4 6 1?,当R= 0.9时，/ d入.2X05，即对5 4 6 1?能分辨的波长差为2.5 X0 2?，相应的波数差为8.4 X0 一 2cm 1，因此它完全满足实验的要求。2. CCD摄像器件CCD是电荷耦合器件的简称。它是一种金属-氧化物-半导体结构的新型器件，具有光电 转换、信息存储

10、和信号传输(自扫描)的功能，在图像传感、信息处理和存贮多方面有着广泛 的应用。CCD摄像器件是CCD在图像传感领域中的重要应用。在本实验中，经由法 -珀标准具出 射的多光束，经透镜会聚相干，呈多光束干涉条纹成像于CCD光敏面。利用CCD的光电转换功能，将其转换为电信号图像，由荧光屏显示。因为CCD是对弱光极为敏感的光放大器 件，故荧屏上呈现明亮、清晰的法-珀干涉图像。实验仪器：1.装置图：1.电磁铁 2.汞灯 3.会聚透镜4.偏振片 5.透射干涉滤光片6.法布里-珀罗标准具7.望远镜8.CCD图象传感器及镜头9.汞灯电源10.磁铁电源 11.多媒体计算机 12.图像卡实验仪器直流磁场及稳流电源

11、、毫特斯拉计、笔形汞灯、法布里 -珀罗标准具(d=0.200cm )、 干涉滤色片(5 4 6 1?)、偏振片、CCD摄像头(安装在螺旋测微器上)、显示器。实验内容本实验仅研究Hg 5461?横向塞曼效应，其光路如图3.1- 2所示。1 .按图3.1-2调节光路，即以磁场中心到CCD窗口中心的等高线为轴，暂不放置干涉 滤色片，不开启CCD及显示器，光源通过L 1以平行光入射法-珀标准具，出射光通过L 2成 像于CCD光敏面。2 .调节法-珀标准具的平行度使两平晶平行，即调节法-珀的三个螺丝，使左右上下移动 人眼对着法-珀看到的干涉条纹形状不变。3 .开启CCD和显示器，调节CCD上的平移微调机

12、构至荧屏显示最佳成像状态，因汞灯是复色光源，荧屏呈亮而粗条纹。4.放置5 4 6 1干涉滤色片，则荧屏呈现明细的法-珀干涉条纹。5 .开启磁场电源，观察荧屏上的分裂的n光和c光条纹随磁场的变化情况。6 .调节螺旋测微器使CCD沿垂直方向移动，贝U荧屏上条纹也相应移动。分别测量 n光和c光条纹的直径。注意：由于 n光和c光所加磁场不同，必须每测量一种成分后用毫 斯特拉计测量光源处的磁场强度。注意事项1 .爱护光学元件表面，不得用手触摸法-珀平晶和干涉滤色片2 .法-珀标准具是精密光学仪器，调节平行度时应冷静分析，细心调节，切勿盲动。3. 爱护CCD摄像头，由于CCD对弱光极为灵敏，切勿用强光直射

13、光敏面，以防过饱 和及损伤器件；光敏面应防止灰尘和水汽沾污，切勿用手和纸擦除；实验完后应将盖子盖好窗 口。数据处理D 2k1 -D 2k数值的不变性由于伙很小，故 伙=D K/f，此处0K为干涉极大角的两倍，D k为条纹直径， f为成像焦距(图3.1-3)。因为co s可写成co s =1- =1-因而由干涉极大条件有K =(1-)即K与D 2k呈一对应关系，所以有1= (D2k-1-D2k)这即是D 2k- 1-D 2k的不变性。如入射光中含有 入和入厶入+d (入代表分裂谱线波长)， 利用入伪d/ K可得到d =K代表K级的分裂条纹，由测得的D k、D k-1和Dk值计算出D 2k、D2k

14、-1及D2k值，用已知的nd值可算出分裂波数值 d。 对Hg546 1的分裂，根据公式=4.67 X1 0 1 cm 1T 1确定(M 2 g 2M 1 g 1)的数值，对于 4M=0的n光，理论值(M 2 g 2 M 1 g 1 )= 1 / 2，将实验结果与之比较，计算出误差。对于 AM= 的c光，可计算出上、下能级的M、J 和g因子值。由实验结果画出Hg 5 4 6 1塞曼效应跃迁能级图。由于GK很小，故EK =D K/f，此处Ok为干涉极大角的两倍，D k为条纹直径, f为成像焦距(图3.1-3)。因为co s可写成co s =1- =1-因而由干涉极大条件有K二(1-)即K与D 2k

15、呈一对应关系，所以有1= (D2k-1-D2k )这即是D 2k i D 2k的不变性。如入射光中含有 入和入厶入+d入(入代表分裂谱线波长)， 利用入伪d/ K可得到d =K代表K级的分裂条纹，由测得的D k、 D k-1和Dk值计算出D 2k、D2k-1及D2k值，用已 知的nd值可算出分裂波数值 d。对Hg546 1的分裂，根据公式 =4.67 X1 O1 cm11确定(M 2 g 2M 1 g 1)的数值，对于 AM=O的n光，理论值(M 2g 2 M 1 g 1 )= 1 / 2，将实验结果与之比较，计算出误差。对于 AM= 的c光，可计算出上、下能级的M、J 和g因子值。由实验结果

16、画出Hg 5 4 61塞曼效应跃迁能级图。1 .按图3.1-2调节光路，即以磁场中心到CCD窗口中心的等高线为轴，暂不放置干涉 滤色片，不开启CCD及显示器，光源通过L 1以平行光入射法-珀标准具，出射光通过L 2成 像于CCD光敏面。2 .调节法-珀标准具的平行度使两平晶平行，即调节法-珀的三个螺丝，使左右上下移动 人眼对着法-珀看到的干涉条纹形状不变。3 .开启CCD和显示器，调节CCD上的平移微调机构至荧屏显示最佳成像状态，因汞灯是复色光源，荧屏呈亮而粗条纹。4. 放置5 4 6 1干涉滤色片，则荧屏呈现明细的法-珀干涉条纹。5 .开启磁场电源，观察荧屏上的分裂的n光和c光条纹随磁场的变

17、化情况。6 .调节螺旋测微器使CCD沿垂直方向移动，贝U荧屏上条纹也相应移动。分别测量 n光和c光条纹的直径。注意：由于 n光和c光所加磁场不同，必须每测量一种成分后用毫 斯特拉计测量光源处的磁场强度。注意事项1 .爱护光学元件表面，不得用手触摸法-珀平晶和干涉滤色片。2 .法-珀标准具是精密光学仪器，调节平行度时应冷静分析，细心调节，切勿盲动。3. 爱护CCD摄像头，由于CCD对弱光极为灵敏，切勿用强光直射光敏面，以防过饱 和及损伤器件；光敏面应防止灰尘和水汽沾污，切勿用手和纸擦除；实验完后应将盖子盖好窗 口。数据处理D 2K 1 D 2k数值的不变性由于GK很小，故EK =D K/f，此处

18、Ok为干涉极大角的两倍，D k为条纹直径， f为成像焦距(图3.1-3)。因为co s可写成co s =1- =1-因而由干涉极大条件有K二(1-)即K与D 2k呈一对应关系，所以有1= (D2k-1-D2k )这即是D 2k 1 D 2k的不变性。如入射光中含有 入和入厶入+d (入代表分裂谱线波长)， 利用入伪d/K可得到d =K代表K级的分裂条纹，由测得的D k、D k-1和Dk值计算出D 2k、D2k-1及D2k值，用已知的nd值可算出分裂波数值 d。对Hg546 1的分裂，根据公式 =4.67 X1 0 1 cm 1T 1确定(M 2 g 2M 1 g 1)的数值，对于 4M=0的n

19、光，理论值(M 2 g 2 M 1 g 1 )= 1 / 2，将实验结果与之比较，计算出误差。对于 AM= 的c光，可计算出上、下能级的M、J 和g因子值。由实验结果画出Hg 5 4 61塞曼效应跃迁能级图。由于低很小，故 低=D K/f,此处0K为干涉极大角的两倍，D K为条纹直径， f为成像焦距(图3.1-3)。因为co s可写成co s =1- =1-因而由干涉极大条件有K二(1-)即K与D 2k呈一对应关系，所以有1= (D2k-1-D2k)这即是D 2k1 D 2k的不变性。如入射光中含有 入和入厶入+d (入代表分裂谱线波长)， 利用入伪d/K可得到d =K代表K级的分裂条纹，由测

20、得的D k、 Dk-1和Dk值计算出D 2k、D2k-1及D2k值，用已 知的nd值可算出分裂波数值 d。对Hg546 1的分裂，根据公式1 1 1 =4.67X1 0 cm T确定(M 2 g 2M 1 g 1)的数值，对于 4M=0的n光，理论值(M 2 g 2 M 1 g 1 )= 1 / 2，将实验结果与之比较，计算出误差。对于 AM= 的c光，可计算出上、下能级的M、J 和g因子值。由实验结果画出Hg5461塞曼效应跃迁能级图。4 .若原子磁矩完全由轨道磁矩所贡献，即 S1 = S2 =0，g 1=g 2 = 1，得到正常塞曼效应，波数差为 = H=4 . 6 7 X1 0 5 H(

21、cm 1)(3. 1-7)通常情况两种磁矩同时存在，即 S1 = S2丸，则g 1和g 2均不为1，称为反常塞曼效应， 波数差为 =(M 2g 2 M 1 g 1)H(3. 1-8)塞曼效应是中等磁场（Hl2特斯拉）对原子作用产生的效应，这样的磁场强度不足以 破坏原子的LS耦合。当磁场较强（几个特斯拉）时将产生帕邢-拜克效应。弱磁场（HVO. 0 1特斯拉）时则应考虑核自旋参与耦合（见实验 3. 2光磁共振）。塞曼效应证实了原子具有磁矩和空间量子化， 实验观测与理论分析的一致性是对磁量 子数选择定则有效性的最好的实验证明，也是光子的角动量纵向分量有三个可能值（、0、）的最好证明。由塞曼效应的实

22、验结果可确定有关原子能级的量子数M、J和g因子值，并可计算出量子数L和S的数值，这些确定均与实验所用的原子无关，因而是考查原子结构 的最有效的方法。主要仪器简介1 .法布里-珀罗标准具假定磁场强度H= 1特斯拉，则正常塞曼分裂=4.67 X101 cm 1，对于如此小的波数差，必须使用高分辨本领的光谱仪器，例如法布里 -珀罗标准具。该仪器由固定间隔d的两块平行平晶构成，内表面均镀有高反射膜（反射系数R 0.9）, 因多光束干涉获得极高的分辨本领。满足干涉极大的两相邻光束的光程差为=2n d cos =k 入（3.1- 9）表征法-珀标准具的两个参量是自由光谱范围和分辨本领。（1）自由光谱范围所

23、谓自由光谱范围即所能研究的最大光谱范围，它等于移动一个条纹时波长的改变。 如以某单色光为基准，其自由光谱范围可表示为入=（3.1-10）更有意义的是用波数来表示，则有 = =（3.1-11 ）即用波数表征的自由光谱范围是一仅与间隔厚度及间隔中介质折射率有关的恒量。例如对于d = 0. 2 00 cm的空气层，若 入= 5 4 6 1?,则 = 0. 7 5?, =2.5cm J（2）分辨本领按照瑞利判据，分辨本领由透射光强I D最大值的半宽度决定。透射光强I D与反射系数 R及两相邻光束的位相差 S的关系称为爱里公式：I d= Io(3.1-12 )因而用位相表示的半宽度,在考虑到R 1时有=

24、( 3.1-13)相应可分辨的频率间隔d与自由光谱范围 (=c )之间的关系为=(3.1-14)所以分辨本领的表示式是=(3.1-15 )即分辨本领主要由反射系数R决定：R越高，分辨本领越大。例如D = 0 .2 00 cm的空气层，对入=5 4 6 1?,当R= 0.9时，V d入.2 X105，即对5 4 6 1?能分辨的波长差为 2.5 X10 一2?，相应的波数差为8.4 X10 一 2cm 1，因此它完全满足实验的要求。2. CCD摄像器件CCD是电荷耦合器件的简称。它是一种金属-氧化物-半导体结构的新型器件，具有光电 转换、信息存储和信号传输(自扫描)的功能，在图像传感、信息处理和

25、存贮多方面有着广泛 的应用。CCD摄像器件是CCD在图像传感领域中的重要应用。在本实验中，经由法-珀标准具出射的多光束，经透镜会聚相干，呈多光束干涉条纹成像于CCD光敏面。利用CCD的光电转换功能，将其转换为电信号图像，由荧光屏显示。因为CCD是对弱光极为敏感的光放大器 件，故荧屏上呈现明亮、清晰的法-珀干涉图像。实验仪器：1.装置图：1.电磁铁 2.汞灯 3.会聚透镜4.偏振片5.透射干涉滤光片6.法布里-珀罗标准具7.望远镜8.CCD图象传感器及镜头9.汞灯电源10.磁铁电源11.多媒体计算机12.图像卡实验仪器直流磁场及稳流电源、毫特斯拉计、笔形汞灯、法布里-珀罗标准具(d=0.200c

26、m )、干涉滤色片(5 4 6 1 ?)、偏振片、CCD摄像头(安装在螺旋测微器上)、显示器。实验内容 本实验仅研究Hg 5461?横向塞曼效应，其光路如图3.1- 2所示。1 .按图3.1-2调节光路，即以磁场中心到CCD窗口中心的等高线为轴，暂不放置干涉 滤色片，不开启CCD及显示器，光源通过L 1以平行光入射法-珀标准具，出射光通过L 2成 像于CCD光敏面。2 .调节法-珀标准具的平行度使两平晶平行，即调节法-珀的三个螺丝，使左右上下移动 人眼对着法-珀看到的干涉条纹形状不变。3 .开启CCD和显示器，调节CCD上的平移微调机构至荧屏显示最佳成像状态，因汞灯是复色光源，荧屏呈亮而粗条纹

27、。4. 放置5 4 6 1干涉滤色片，则荧屏呈现明细的法-珀干涉条纹。5 .开启磁场电源，观察荧屏上的分裂的 n光和c光条纹随磁场的变化情况。6 .调节螺旋测微器使CCD沿垂直方向移动，贝U荧屏上条纹也相应移动。分别测量 n光和c光条纹的直径。注意：由于 n光和c光所加磁场不同，必须每测量一种成分后用毫 斯特拉计测量光源处的磁场强度。注意事项1 .爱护光学元件表面，不得用手触摸法-珀平晶和干涉滤色片。2 .法-珀标准具是精密光学仪器，调节平行度时应冷静分析，细心调节，切勿盲动。3. 爱护CCD摄像头，由于CCD对弱光极为灵敏，切勿用强光直射光敏面，以防过饱 和及损伤器件；光敏面应防止灰尘和水汽

28、沾污，切勿用手和纸擦除；实验完后应将盖子盖好窗 口。数据处理D 2K 1-D 2k数值的不变性由于低很小，故 低=D K/f，此处0K为干涉极大角的两倍，D K为条纹直径， f为成像焦距(图3.1-3)。因为co s可写成co s =1- =1-因而由干涉极大条件有K =(1-)即K与D 2k呈一对应关系，所以有 仁(D2k-i-D2k)这即是D 2k1 D 2k的不变性。如入射光中含有 入和入厶入+d入(入代表分裂谱线波长)， 利用入舍nd/ K可得到d =K代表K级的分裂条纹，由测得的D k、 D k1和Dk值计算出D 2k、D2k1及D2k值，用已 知的nd值可算出分裂波数值 d。对Hg546 1的分裂，根据公式 =4.67 X1 0 1 cm 1T 1确定(M 2 g 2M 1 g 1)的数值，对于 4M=0的n光，理论值(M 2 g 2 M 1 g 1 )