塞曼效應實驗報告

1、近代物理實驗報告塞曼效應實驗學 院班 級姓 名學 號時 間2014年3月16日塞曼效應實驗實驗報告摘要】：本實驗通過塞曼效應儀與一些觀察裝置觀察汞（Hg ） 546.1 nm譜線（3Si3P2躍遷）的塞曼分裂，從理論上解釋、分析實驗現(xiàn)象，而后給出橫效應塞滿分裂線的波數(shù)增量，最后得出荷質比。關鍵詞】：塞曼效應、汞546.1 nm、橫效應、塞滿分裂線、荷質比引言】：塞曼效應是原子的光譜線在外磁場中出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象，是1896年由荷蘭物理學家塞曼發(fā)現(xiàn)的。首先他發(fā)現(xiàn)，原子光譜線在外磁場發(fā)生了分裂 ；隨后洛侖茲在理論上解釋了譜線分裂成 3條的原因，這種現(xiàn)象稱為 塞曼效應”。在后來進一步研究發(fā)現(xiàn)，很多原子的

2、光譜在磁場中的 分裂情況有別于前面的分裂情況，更為復雜，稱為反常塞曼效應。塞曼效應的發(fā)現(xiàn)使人們對物質光譜、原子、分子有更多了解，塞曼效應證實了原子磁矩的 空間量子化，為研究原子結構提供了重要途徑，被認為是19世紀末20世紀初物理學最重要的發(fā)現(xiàn)之一。利用塞曼效應可以測量電子的荷質比。在天體物理中，塞曼效應可以用來測量天體的磁場。本實驗采取Fabry-Perot （以下簡稱F-P）標準具觀察 Hg的546.1 nm譜線的塞曼 效應，同時利用塞滿效應測量電子的荷質比。正文】：、塞曼分裂譜線與原譜線關系 1、磁矩在外磁場中受到的作用原子總磁矩'在外磁場中受到力矩的作用其效果是磁矩繞磁場方向旋進

3、，也就是總角動量 （Pj）繞磁場方向旋進磁矩 戶在外磁場中的磁能由于或在磁場中的取向量子化，所以其在磁場方向分量也量子化I原子受磁場作用而旋進引起的附加能量AB =皺爾穗子）M為磁量子數(shù)g為朗道因子，表征原子總磁矩和總角動量的關系，g隨耦合類型不同（LS耦合和jj耦合）有兩種解法。在LS耦合下：_ 十 /（7 十 1） £（£ 十 1）十 £ （£ 十 1） g2J（J 十 1）其中：L為總軌道角動量量子數(shù)S為總自旋角動量量子數(shù)J為總角動量量子數(shù)M只能取J, J-1, J-2-J （共2J+1 ）個值,即AE 有（2J+1）個可能值。無外磁場時的一個能級

4、，在外磁場作用下將分裂成（2J+1 ）個能級，其分裂的能級是等間隔的，且能級間隔2、塞曼分裂譜線與原譜線關系：（1）基本出發(fā)點3 = 0戲hv越E計血hvl5角+Z網(wǎng)h = 十昶_（咼+MJ二厲-即十（朋廠幌）=Av + （2/ag2- “詣加詔分裂后譜線與原譜線頻率差為方便起見，常表示為波數(shù)差L = - = Jffx46.7_17T_1定義 Asnnc為洛侖茲單位：2二轉站2 - M兀=46.72S 2 -啟 1）月3、譜線的偏振特征:塞曼躍遷的選擇定則為：M=0時為n成份（n型偏振）是振動方向平行于磁場的線偏振光，只有在垂直于磁場方向才能觀察到，平行于磁場方向觀察不到 ；但當d=0時，M2

5、=0到Mi=O的躍遷被禁止。當“= ±1時，為b成份，6型偏振垂直于磁場，觀察時為振動垂直于磁場的線偏振光。平行于磁場觀察時，其偏振性與磁場方向及觀察方向都有關：沿磁場正向觀察時（即磁場方向離開觀察者：U ）M= +1為右旋圓偏振光 （b+偏振）M= -1為左旋圓偏振光 （6偏振）也即，磁場指向觀察者時：OM= +1為左旋圓偏振光M= -1為右旋圓偏振光分析的總思路和總原則：在輻射的過程中，原子和發(fā)出的光子作為整體的角動量是守恒的。原子在磁場方向角動量為：P=M 2貳在磁場指向觀察者時：o芳h當“= +1時，光子角動量為2. 與*同向電磁波電矢量繞逆時針方向轉動，在光學上稱為左旋圓偏

6、振光 。M= -1時，光子角動量為反向電磁波電矢量繞順時針方向轉動，在光學上稱為右旋圓偏振光Hg 5461?譜線，6S7S3Sl 6S6P3P2能級躍遷產(chǎn)生Av =-分裂后，相鄰兩譜線的波數(shù)差 實驗方法：觀察塞曼分裂的方法塞曼分裂的波長差很小由于以 Hg 5461譜線為例當處于B=1T的磁場中Av = A=lx46.7xl= 23 35m2 2AA X Av = 10 m= 0.1A要觀察如此小的波長差，用一般的棱鏡攝譜儀是不可能的，需要用高分辨率的儀器，如法布里珀羅標準器（FP標準具）。FP標準具由平行放置的兩塊平面板組成的，在兩板相對的平面上鍍薄銀膜和其他有較高反射系數(shù)的薄膜。兩平行的鍍銀

7、平面的間隔是由某些熱膨脹系數(shù)很小的材料做成的環(huán)固定起來。若兩平行的鍍銀平面的間隔不可以改變，則稱該儀器為法布里一珀羅干涉儀。標準具在空氣中使用時，干涉方程（干涉極大值）為加3曲=空標準具有兩個特征參量自由光譜范圍和分辨本領。自由光譜范圍的物理意義：表明在給定間隔圈原度為 d的標準具中，若入射光的波長在 入？+ 間（或波數(shù)在? -v-FAv間）所產(chǎn)生的干涉圓環(huán)不重疊 ，若被研究的譜線波長差大于自由光譜范圍，兩套花紋之間就要發(fā)生重疊或錯級，給分析帶來困難，因此在使用標準具時，應根據(jù)被研究對象的 光譜波長范圍來確定間隔圈的厚度。分辨本領：（'）：對于F P標準具=KNN為精細度，兩相鄰干涉級

8、間能夠分辨的最大條紋數(shù)R為反射率，R 一般在90%（當光近似于正入射時例如：d=5mm , R=90%，入 =546.1 nm 時 =0.001 nm、實驗儀器與裝置該實驗可采用多種儀器與方法般常用的是在塞曼效應儀上加以不同的觀察裝置。觀察塞曼效應的實驗裝置圖如下所示汞燈光由會聚透鏡成平行光，經(jīng)濾光片后546.1埃光入射到F P標準具上，由偏振片鑒別 成分和 成分，再經(jīng)成像透鏡將干涉圖樣成像在攝譜儀膠片或望遠鏡CCD光敏面處。觀察塞曼效應時，可將電磁鐵極中的芯子抽出 ，磁極轉900，光從磁極中心痛過。將1/4波片置 于偏振片前方，轉動偏振片可以觀測成分的左旋和右旋圓偏振光 。本實驗室的 WPZ

9、 II/IIA塞曼效應儀，采用CCD望遠鏡觀察，計算機采集圖像并處理，整套儀器組成如下圖1 一電磁鐵2 潼勵電源3 ifi 鏡圖（3-5）7-CCD望遠鏡*導軌1電腦4 偏振片5 干沸濾光片（中心浚長5463m） FP標準具（間距2mm）三、實驗目的1觀察塞曼效應儀，理解理論學習內(nèi)容。2掌握測量波長差的原理。3測量荷質比。四、實驗內(nèi)容與方法本實驗通過塞曼效應儀與一些觀察裝置觀察汞（Hg ） 546.1 nm譜線（3Si宀3P2躍遷）的塞曼分裂，用FP標準具測量波長差及電子的荷質比。1將汞燈調(diào)節(jié)到磁場最強處，按上圖調(diào)整光學系統(tǒng)，調(diào)節(jié)各光學部件同軸等高 。 注意：調(diào)節(jié)共軸等高是本實驗的一個關鍵點也

10、是一個難點，可以采用二次成像法來調(diào)節(jié)。二次成像法：利用凸透鏡能在較近與較遠處成像，通過觀察這兩個清晰像的中心相同來調(diào)節(jié)共 軸等高。2觀察汞（Hg ） 546.1 nm譜線在B=0與BO時的物理圖像。轉動偏振片，檢查橫效應和縱效 應下分裂的成分。（本實驗主要研究橫效應）3.測量與數(shù)據(jù)處理：將橫效應的 成分觀察到的圖像保存成 jpg或bmp格式，用塞曼效應分 析軟件測量出k、k-1和k-2級各干涉圓環(huán)的直徑，用特斯拉計測量汞燈處的磁場 B。利用已 知常數(shù)d （d=2mm ）及公式計算出？ v,再計算e/m。五、實驗數(shù)據(jù)及結論1. 實驗數(shù)據(jù)：已知常數(shù)：汞燈波長546.1 nm ,標準具間距 d=2m

11、m ,理論荷質比e/m=1.75881962 X 1011C/kg 。實驗測得：加磁場時汞燈處 B=1235mT ,B=0時能級圖:B=1.235T時的能級圖從圖中我們可以清楚的看到，在加磁場后，汞546.1 nm譜線明顯發(fā)生塞曼分裂，每一條譜線分裂成3條（有橫效應的前提）。用塞曼效應分析軟件處理后結果為：從圖中我們可以看出所得到的電子的荷質比為1.865 （此處未加上數(shù)量級），與理論的1.865 1.75881.7588的誤差為：100% 6.04%。（誤差產(chǎn)生的原因有兩方面：1.軟件處1.7588理時畫圓定點不夠仔細，2.調(diào)節(jié)共軸等高時有一定誤差）同時，本實驗由于時間等原因未能進 行多次測量。2. 理論計算1111eB我們知道理論46.7B（m 1T 1），因為Mzg? Mg1，代入理4 me論的荷質比（e/m ）與實際的磁場強度 B,后得出M2g2 M1g10.81，而實際照）D：（）兀（）Df（）代入結果圖中的數(shù)據(jù)得1150，同時將公示簡單變形后能得出荷質比e/m 1.884 10 ，與軟件得出結果較為接近。3. 誤差分析1）