塞曼效应实验概述

塞曼效应实验概述第1页/共23页背景简介

塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。1896年荷兰物理学家塞曼发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。塞曼效应是继法拉第磁致旋光效应之后发现的又一个磁光效应。这个现象的发现是对光的电磁理论的有力支持，证实了原子具有磁矩和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子结构有更多了解，特别是由于及时得到洛仑兹的理论解释，更受到人们的重视，被誉为继X射线之后物理学最重要的发现之一。1902年，塞曼与洛仑兹因发现塞曼效应而共同获得了诺贝尔物理学奖塞曼

PieterZeeman

第2页/共23页塞曼效应实验实验目的实验仪器思考问题实验原理实验内容数据处理注意事项第3页/共23页实验目的

1.利用高分辨光谱仪（如法布里－玻罗标准具或大型光栅摄谱仪等分光设备）观察和拍摄汞灯谱线5461埃的塞曼效应，并测量它的波长差；

2.利用光谱学的方法，测定电子的荷质比。

第4页/共23页实验仪器图1塞曼效应实验仪结构1.磁铁座2.电磁铁3.笔型汞灯及架4.聚光镜偏振片调节架5.干涉滤光片光栏架6.法布里-珀罗标准具7.摄谱物镜8.摄谱装置(或测量望远镜)9.导轨123456788

9第5页/共23页实验原理图2原子角动量和磁矩矢量图

1.电子的角动量和磁矩原子的总磁矩等于电子的轨道磁矩和自旋磁矩之和。电子具有的轨道总角动量及自旋总角动量的数值分别为：l,s分别表示轨道量子数和自旋量子数,它们合成为原子的总角动量

第6页/共23页原子的总角动量为轨道角动量和自旋角动量的和,即其取值也是量子化的其中J为总角动量量子数。相应的原子的总磁矩为轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和第7页/共23页

电子的轨道磁矩和自旋磁矩与轨道磁矩和自旋磁矩的关系为：

ri-enLS

其中g为朗德因子，它表征原子总磁矩和总角动量的关系，其值决定于轨道角动量和自旋角动量的耦合形式，在LS耦合下：

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原子由于磁矩的存在，在磁场中就会受到磁场的力矩作用，原子的总磁矩在外磁场中受到的力矩为：

力矩使原子的总磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量绕磁场方向旋进,旋进会引起原子能级的附加能量为：其中，为玻尔磁子。2.原子力矩和在磁场中的能量移动

第9页/共23页由于原子总角动量在磁场中的取向是量子化的，即:M称为磁量子数，只能取

共2J+1个值。代入上式有:其中称为玻尔磁子。上式告诉我们，ΔE有(2J+1)个可能值，也就是说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，且能级间隔为。第10页/共23页例：能级分裂为四条第11页/共23页设频率为的光谱线是由原子的上能级E2跃迁到下能级E1所产生的，则此谱线的频率满足:

3.原子在磁场中的能级分裂因此，每个能级各分裂成个2J2＋1和2J1＋1个子能级。在外磁场中，上下能级都将获得一个附加能量第12页/共23页这样上下两个能级之间的跃迁将产生频率为

的谱线,满足：跃迁选择定则:第13页/共23页

本实验的光源为汞放电管，研究Hg的5460埃谱线的赛曼分裂。Hg5461Å谱线是{6S7S}3S1→{6S6P}3P2能级跃迁产生的。MMg120-1-22313/200-1-3/2-2-33S1

3P2

第14页/共23页4.

法布里珀罗标准具测量波长差的方法

从F－P标准具中透射出来的平行光，经焦距为f的透镜成像在焦平面上，形成同心的干涉园环，其直径为D，如图有第15页/共23页对于不同波长和的同次级k的干涉园环有对于相同波长和的不同次级k和k－1级的干涉园环有第16页/共23页代入：汞灯绿光波长：第17页/共23页5.F—P标准具测量测电子荷质比参考值：第18页/共23页1.调整光路，使光束通过各光学元件的中心，调节F-P标准具的平行度，使能观察到清晰的等倾干涉圆环。2.逐渐加大磁铁电流，观察Hg5461Å谱线的塞曼分裂现象。分别从横向和纵向观察谱线的分支数和偏振状态。判别平面偏振的偏振方向及圆偏振光圆偏振的旋向。将所观察到的结果与理论相比较。3.用读数显微镜选出4个级次的干涉环进行圆环直径的测量，通过公式计算出电子的荷质比之值。实验内容第19页/共23页1.

自拟表格记录干涉圆环直径数据，及外加磁场数据。2.算出电子荷质比，作误差分析。数据处理第20页/共23页注意事项

1．汞灯的电压近万伏，工作时要注意安全。

2．必须逐渐使磁场降低到零时，才能切断电磁电源，以防损坏电磁铁。

3．注意保护磁极，不要使其端面受撞或划痕。在磁极间装、卸汞灯时，要使灯管与两端面积保持1mm的距离。

4．所有光学的光学表面严禁用手触摸。第21页/共23页思考问题1.塞曼效应分裂谱的裂距与磁场强度有什么关系？