塞曼效应实验报告

1、近代物理实验报告塞曼效应实验学院班级姓名学号时 间2022 年3月16日塞曼效应实验实验报告【摘要】：本实验通过塞曼效应仪与一些观察装置观察汞Hg546.1 nm谱线3Sn 3P2跃迁的塞曼分裂，从理论上解释、分析实验现象，而后给出横效应塞总分值裂线的波数增量，最后得出 荷质比。【关键词】：塞曼效应、汞546.1 nm、横效应、塞总分值裂线、荷质比【引言】：塞曼效应是原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象，是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的。首先他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂；随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成 3条的原因，这种现象称为“塞曼效应。在后来进一步研究发现，很多原子的光谱在磁

2、场中 的分裂情况有别于前面的分裂情况，更为复杂，称为反常塞曼效应。塞曼效应的发现使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解，塞曼效应证实了原子磁矩的 空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体 的磁场。本实验采取 Fabry-Perot 以下简称F-P标准具观察 Hg的546.1 nm谱线的塞曼效 应，同时利用塞满效应测量电子的荷质比。【正文】：一、塞曼分裂谱线与原谱线关系1、磁矩在外磁场中受到的作用(1)原子总磁矩人在外磁场中受到力矩的作用：(云=呃)其效果是磁矩绕磁场方向

3、旋进，也就是总角动量Pj绕磁场方向旋进。 磁矩几I在外磁场中的磁能:£Lt = -gPfJ 2八-U=s(Pr3) = ()zff2m2m由于，所以其在磁场方向分量也量子化:原子受磁场作用而旋进引起的附加能量2炖 2兀"二学-皱尔磁子)$4也随二竺-、险B二科 MgBsM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：,J(J+1)-L(L + 1HS + 1)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M只能取J, J-1 , J-2-J 共2J+1丨个值，即 E有(2J+

4、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2、塞曼分裂谱线与原谱线关系:(1)根本出发点：hvl!再+Z呵hvl =-爲 + 应$二禺-尽+2-人马= kvA-M - M罔弁押分裂后谱线与原谱线频率差Ak = vf-v = M局-叫吋巴名ehp鸟二由于4?两Ajm为方便起见，常表示为波数差L- = x46.7_17_1定义 Ajimc为洛仑兹单位：Af =M32 -肚间兀=16.7422 一 "1 旨 1占3、谱线的偏振特征： 塞曼跃迁的选择定那么为： 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

5、观察到，平行于磁场方向观察不到；但当J=0时，M=0到M=0的跃迁被禁止。当厶M=± 1时，为b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：U_ M= +1为右旋圆偏振光b +偏振 M= -1为左旋圆偏振光b -偏振也即，磁场指向观察者时：O I M= +1为左旋圆偏振光 M= -1为右旋圆偏振光分析的总思路和总原那么 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：唱 在磁场指向观察者时：ok当厶M= +1时，光子角动量为2兀，与B同向电

6、磁波电矢量绕逆时针方向转动，在光学上称为左旋圆偏振光。k M= -1时，光子角动量为，2兀与百反向 电磁波电矢量绕顺时针方向转动，在光学上称为右旋圆偏振光。例：Hg 5461?谱线，6S7S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：S宀6S6P 4能级跃迁产生3*0-1-3/L-12LC2LEL12>L-F1FrF11111巳2 0-23a 2 o 3/2-3塞曼分裂的波长差很小由于一 -；'-1'以Hg 5461 ?谱线为例当处于 B=1T的磁场中F "JAv = -&7><1工23.3向2 2Al=>l3Av =10

7、 ilw=0.1A要观察如此小的波长差，用一般的棱镜摄谱仪是不可能的，需要用高分辨率的仪器，如法布里 珀罗标准器F P标准具。FP标准具由平行放置的两块平面板组成的，在两板相对的平面上镀薄银膜和其他有较高反 射系数的薄膜。两平行的镀银平面的间隔是由某些热膨胀系数很小的材料做成的环固定起来。 假设两平行的镀银平面的间隔不可以改变，那么称该仪器为法布里一珀罗干预仪。标准具在空气中使用时，干预方程干预极大值为=标准具有两个特征参量自由光谱范围和分辨本领。自由光谱范围的物理意义:说明在给定间隔圈原度为 d的标准具中，假设入射光的波长在入入+入间或波数在P -F-fA?间所产生的干预圆环不重叠，假设被研

8、究的谱线波长差大于自由光谱范围，两 套花纹之间就要发生重叠或错级，给分析带来困难，因此在使用标准具时，应根据被研究对象 的光谱波长范围来确定间隔圈的厚度。分辨本领:对于F P标准具N为精细度，两相邻干预级间能够分辨的最大条纹数R为反射率,R 一般在90%当光近似于正入射时例如：d=5mm R=90% 入=546.1 nm 时入、实验仪器与装置该实验可采用多种仪器与方法，一般常用的是在塞曼效应仪上加以不同的观察装置。观察 塞曼效应的实验装置图如下所示：CCD9远情一成僮JaffiP标准具上，由偏振片鉴别成分和 成分，再经成像透镜将干预图样成像在摄谱仪胶片或望远镜CCD光敏面处。观察塞曼效应时，可

9、将电磁铁极中的芯子抽出，磁极转90o,光从磁极中心痛过。将1/4波片置于偏振片前方，转动偏振片可以观测成分的左旋和右旋圆偏振 光。本实验室的 WP11/| A塞曼效应仪，采用 CCD望远镜观察，电脑采集图像并处理，整套仪器组成如以下图:1一电隐铁2 鼓励电源3 透镜图3-57 CCD望远镜8 导轨1电脑4 一偏振片5干预滤光片中心波长546 Jnm6F-P标准具间距2imn三、实验目的1. 观察塞曼效应仪，理解理论学习内容。2. 掌握测量波长差的原理。3. 测量荷质比。四、实验内容与方法本实验通过塞曼效应仪与一些观察装置观察汞Hg546.1 nm谱线3S 3P2跃迁的塞曼分裂，用FP标准具测量

10、波长差及电子的荷质比。1. 将汞灯调节到磁场最强处，按上图调整光学系统，调节各光学部件同轴等高。注意：调节共轴等高是本实验的一个关键点也是一个难点，可以采用二次成像法来调节。二次成像法：利用凸透镜能在较近与较远处成像，通过观察这两个清晰像的中心相同来调节共 轴等高。2. 观察汞Hg546.1 nm谱线在B=0与0时的物理图像。转动偏振片，检查横效应和纵效 应下分裂的成分。本实验主要研究横效应3. 测量与数据处理：将横效应的成分观察到的图像保存成 jpg或bmp格式，用塞曼效应分析软件测量出k、k-1和k-2级各干预圆环的直径，用特斯拉计测量汞灯处的磁场B。利用常数d d=2mri及公式计算出?

11、v，再计算e/m。五、实验数据及结论1.实验数据：11x 10 C/kg。实验测得：加磁场时汞灯处B=1235mTB=0时能级图：B=1.235T时的能级图:从图中我们可以清楚的看到，在加磁场后，汞546.1 nm谱线明显发生塞曼分裂，每一条谱 线分裂成3条有横效应的前提。1.7588的误差为：865 1.7588 100% 6.04%。误差产生的原因有两方面：1.软件处1.7588理时画圆定点不够仔细，2.调节共轴等高时有一定误差同时，本实验由于时间等原因未能进用塞曼效应分析软件处理后结果为:从图中我们可以看出所得到的电子的荷质比为1.865此处未加上数量级，与理论的行屡次测量。2. 理论计算我们知道理论46.7B(m 1T 1)，因为M2g2 M1g1代入理4 mc论的荷质比e/m与实际的磁场强度 B,后得出M2g2 M1g10.81，而实际D：( ) D：()D：1( ) D：()代入结果图中的数据得50,同时将公示简单变形后能得出荷质比e/m 1.884 1011，与软件得出结果较为接近。3. 误差分