塞曼效应报告

一、实验目的分析在垂直于磁场与平行于磁场方向观察Hg546.1nmπ，σ+，σ-谱线，并确定磁场方向。强度B的关系。设计方案用塞曼分裂的波数差计算电子的荷质比。讨论塞曼效应研究原子内部能级结构的方法和应用。二、实验仪器1、F-P1/4波片、线[凸透镜。2、本实验为数字模拟实验，以上仪器全部为软件中模拟存在。三、实验原理1、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。磁矩在外磁场中的磁能：由于 或 在磁场中的取向量子化，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M为磁量子数g耦合和jj有两种解法。在LS其中：LSJM只能取J，J-1，J-2„„-J（共2J+1）个值，即ΔE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2塞曼分裂谱线与原谱线关系：基本出发点：∴分裂后谱线与原谱线频率差由于为方便起见，常表示为波数差定义 为洛仑兹单位：2、谱线的偏振特征：ΔM=0时为π成份型偏振）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ΔJ=0时，M0M=0的跃迁被禁止。2 1ΔM=±1时，为σ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： ）ΔM=+1为右旋圆偏振光（σΔM=-1为左旋圆偏振光（σ

+偏振）-偏振）也即，磁场指向观察者时：⊙ΔM=+1为左旋圆偏振光ΔM=-1为右旋圆偏振光分析的总思路和总原则:原子在磁场方向角动量为：∴在磁场指向观察者时：⊙当ΔM=时，光子角动量为 ，与同向电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。ΔM=-1时，光子角动量为， 与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：Hg5461Å谱线，{6S7S}3S→{6S6P}3P能级跃迁产生1 2分裂后，相邻两谱线的波数差3、观察塞曼分裂的方法原理塞曼分裂的波长差很小由于 以Hg5461Å谱线为例当处于B=1T的磁场中里—珀罗标准器。测量塞曼分裂谱线波长差的方法。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的直径来实现的tanD/f射角为的圆环的直径D与透镜焦距f间的关系为，

2 很小，可认为sintan，而 2 D2cos12sin2 1 1 2 2 8f2代入式2dcosK得2dcos2d1D2K 8f

（1）由上式可推得，同一波长λ相邻两级K和（K-1）级圆环直径的平方差4f2D

D2K

D2K

D （2）可见D2是与干涉级次无关的常数。λ 设波长 和 的第K级干涉圆环的直径分别为D和D，由式和λ a b a bd D2D2 (D2D2) b a a b 4f2K b

a D2 D2K2dK将 代入，得

KKD2D2 b a 波长差

2dD2 D2KK1D2D2 b a 波数差

2dD2 D2KK测量时用（K-2）或（K-3）级圆环。由于标准具间隔厚度d比波长λ大得多，中心处圆环的干涉级数K是很大的，因此用（K-2）或（K-3）代替K，引入的误差可忽略不计。4、法布里—珀罗标准器（F—P标准具）F—P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定起来。若两平行的镀银平面的间隔不可以改变，则称该仪器为法布里—珀罗干涉仪。标准具在空气中使用时，干涉方程（干涉极大值）为标准具有两个特征参量自由光谱范围和分辨本领。：表明在给定间隔圈原度为d的标准具中，若入射光的波长在λ～λ+Δλ 间（或波数间）所产生的干涉圆环不重叠，若被研究的谱线标准具时，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，两相邻干涉级间能够分辨的最大条纹数R为反射率，R一般在90%四、实验步骤

（当光近似于正入射时）1、垂直磁场方向观察塞曼分裂按照实验光路图，安排个装置的正确位置；（实验光路图）打开水银辉光放电管电源；调节个仪器的光路使其共轴；调整标准具；仪器调好后，鉴别两种偏振成分：偏振片视窗上的红线表示偏振片透振方向，鼠标左方向会做相应的旋转，望远镜视窗中的分裂线也会随透振方向的改变而改变。观察塞曼裂距的变化：1鼠标左键单击（或按下不放望远镜视窗中的塞曼裂距发生变化；鼠标右键单击或按下不放2坐标图移动，根据记录的电流值，查出相应的磁场强度值。2、平行于磁场方向观察塞曼分裂按照实验光路图，安排个装置的正确位置；（实验光路图）打开水银辉光放电管电源；调节个仪器的光路使其共轴；调整标准具；做相应的旋转，望远镜视窗中的分裂环会产生相应的变化。五、实验观察结果与分析１、垂直于磁场方向观察塞曼分裂：观察结果：当偏振方向垂直于磁场方向时，只有中央三环消失，两边各有三环出现；当偏振方向平行于磁场方向时，只有中央三环出现，两边各有三环消失。分析：按照实验原理中对Hg546.1nm的谱线的一些简单介绍可知，中央三环为π成分，两边六环为成分。由谱线在磁场中的能级分裂遵循塞曼跃迁的选择定则可知，当=0（即偏振方向平行于磁场方向）时，对应的塞曼分裂谱线为成分，是振动方向平行于磁场的线偏振光，只在垂直于磁场的方向才能观察得到；（即偏振方向垂直于磁场方向）时，对应塞曼分裂谱线为成分，垂直磁场观察时为振动方向垂直于磁场的线偏振光。理论与实验现象相吻合。观察结果：当偏振方向在一、三象限时，只有外内环出现；当偏振方向在二、四象限时，只有外环出现；分析：成分（正负）+45度（第一象限）+成分的--45度（第四象限环交替消失的原因。六、实验数据与处理1、数据记录一一二三四五电流I/A1.201.401.652.002.90磁场强度B/mt5256357509001155数据对应重叠情况： 因为有又因为 12d

，d为5mm,所以~为定值，为100m1。有446.7B 98.07m113.546.7B2

103.79m1~ 346.7B 105.07m1~3~ 2.546.7B 105.07m1~4~ 246.7B 107.87m1~5所以验证结果大致相同。e2、设计用塞曼分裂计算荷质比m：对于正常塞曼效应，分裂的波数差为L eB4mc代入测量波数差公式，得e cD2D2 K b a Da和Db分别为波长λa和λb的第K级干涉圆环的直径，Km dB

D2K

D2，D2K

D2K

为同一波长λ相邻两级K和（K-1）级圆环直径的平方差。已知d和B，从塞曼分裂的照片测出各环直径，就可计算e/m。七、思考题、1、理论上（F—P）标准具两相对反射面距离处处相等，实验中往往不相等。如何判断两反射问题是否处处相等？如果不相等如何判断哪边d大，哪边d小？解：依据d相等时，同一入射角θ对应同一个d减小。2、为什么改变磁感应强度B，会看到相邻两级谱线的重叠，且是不同的重叠情况。解：因为改变B可以观察到干涉纹不同的重叠或错级情况：F—P标准具自由光谱范围：物理意义：若两谱线波长差>自由光谱范围级。

（或 ，则两套干涉环就要产生重叠或错d塞曼裂距：

是个确定的值。所以3、为什么要强调磁场方向与观察方向的关系？， 所对应的圆偏振光类型与磁场方向关系。解：按角动量守恒原则，在辐射过程中原子和发射的光子作为整体，总的角动量是守恒的。原子在磁场方向角动量当 时，原子在