計算機仿真物理實驗1―塞曼效應(yīng)

1、計算機仿真實驗1塞曼效應(yīng)內(nèi)容提要：1.分析在垂直于磁場與平行于磁場方向觀察譜線在磁場中的分裂，區(qū)分，+，-譜線，并確定磁場方向。2.設(shè)計方案，選用合適的FP標準具和改變磁感應(yīng)強度 ，驗證塞曼分裂的裂距與磁感應(yīng)強度B的關(guān)系。3.討論塞曼效應(yīng)研究原子內(nèi)部能級結(jié)構(gòu)的方法和應(yīng)用。目的要求：1.通過計算機仿真軟件研究汞原子（）譜線在磁場中的分裂情況。2.掌握法布里-珀羅標準具的原理和調(diào)節(jié)方法。重點難點：1.重點：垂直磁場方向觀察塞曼分裂和平行磁場方向觀察塞曼分裂。2.難點：法布里-珀羅標準具的原理和調(diào)節(jié)方法。作業(yè)：1如何鑒別F-P標準具的兩反射面是否嚴格平行，如發(fā)現(xiàn)不平行應(yīng)該如何調(diào)節(jié)？授課情況：1講述原

2、理和仿真實驗軟件的操作（15min）2示范操作（5min）3學(xué)生自己完成實驗（100min）4檢查學(xué)生實驗完成情況和實驗室表格記錄（10min）教學(xué)設(shè)計一、實驗內(nèi)容塞曼效應(yīng)是物理學(xué)史上一個著名的實驗。荷蘭物理學(xué)家塞曼(Zeeman在1896年發(fā)現(xiàn)把產(chǎn)生光譜的光源置于足夠強的磁場中，磁場作用于發(fā)光體，使光譜發(fā)生變化，一條譜線即會分裂成幾條偏振化的譜線，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。這個現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是對光的電磁理論的有力支持，證實了原子具有磁距和空間取向量子化，使人們對物質(zhì)光譜、原子、分子有更多了解。今天我們在計算機仿真軟件上掌握塞曼效應(yīng)的原理,熟悉法布里-珀羅標準具的原理和調(diào)節(jié)方法。本實驗通過計算機模擬觀

3、察譜線垂直磁場方向的塞曼分裂和平行磁場方向的塞曼分裂情況，并研究塞曼分裂譜的特征。圖1二、實驗原理 原子中的電子作軌道運動和自旋運動，產(chǎn)生的軌道角動量、自旋角動量、軌道磁矩和自旋磁矩，相互關(guān)系為： （1） （2）按圖1進行向量迭加，可以得到和的關(guān)系：，其中g(shù)為朗德因子，表征原子總磁矩和總角動量的關(guān)系。原子的總磁矩在外磁場中將受到力矩的作用，使總磁矩和總角動量發(fā)生旋進所引起的附加能量為： （3）由于和在磁場中的取向是量子化的，即在磁場方向的分量只能取如下數(shù)值： （4）式中M為磁量子數(shù)，M=J、J-1、 -J，共有2J1個值。（4）式代入（3）式得： （5）其中為玻爾磁子。（5）式說明在穩(wěn)定的磁場

4、作用下，附加能量有2J+1個可能數(shù)值，也就是說由于磁場的作用，使原來的一個能級分裂成2J+1個子能級，其能級間隔為。設(shè)某一光譜線是由能級E2和E1間的躍遷而產(chǎn)生的，則其譜線的頻率同能級有如下關(guān)系：在外磁場作用下，上、下兩能級分別分裂為2J2+l和2J1+l個子能級；附加的能量分別為E2和E1；新的譜線頻率與能級的關(guān)系：，分裂譜線的頻率差為：圖2用波數(shù)差來表示： （ 6 ） 在躍遷時，對于M的選擇定則如下：時，躍遷產(chǎn)生成分；時，產(chǎn)生成分。在垂直于磁場方向觀察時，成分的電矢量的振動方向平行于磁場方向，成分的電矢量的振動方向則垂直于磁場方向，稱為橫效應(yīng)；在平行于磁場方向觀察時（如讓光線穿過磁極中心的

5、孔），成分不可見，成分為圓偏振光，稱為縱效應(yīng)。本實驗中觀察波長為5461Å汞譜線的塞曼分裂。這條譜線是伴隨能級躍遷到時產(chǎn)生的，在磁場作用下，分裂的能級圖及躍遷所產(chǎn)生的相應(yīng)譜線如圖2所示。當處于B=1T的磁場中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珀羅干涉儀。圖3 F-P標準具標準具在空氣中使用時，干涉方

6、程（干涉極大值）為：標準具有兩個特征參量自由光譜范圍和分辨本領(lǐng)。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+間（或波數(shù)在間）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(yīng)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(lǐng)：。對于FP標準具，N為精細度，兩相鄰干涉級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%，時 實驗步驟：1、 點擊計算機桌面上的“大學(xué)物理仿真實驗”，啟動“大學(xué)物理仿真實驗”軟件。2、 點擊“

7、下一頁”，然后點擊“塞曼效應(yīng)”，進入“塞曼效應(yīng)”實驗主平臺。3、 在實驗界面上右擊鼠標，在快捷菜單上選取相應(yīng)的內(nèi)容，依次閱讀“實驗簡介”、“實驗原理”、“實驗儀器”、“實驗內(nèi)容”和“實驗思考題”。4、 在實驗界面上右擊鼠標，在快捷菜單上選取“實驗原理演示”，在下拉菜單中分別選取“塞曼效應(yīng)原理”和“法布里-珀羅標準具的原理”，寫出兩個原理的實驗體會。5、 在實驗界面上右擊鼠標，在快捷菜單上選取“開始實驗”。（1） 點擊“垂直磁場方向觀察塞曼分裂”1 右擊鼠標，選擇“實驗光路圖”，按照實驗光路圖，安排各裝置的正確位置鼠標單擊儀器，進入拖動狀態(tài)；鼠標再次單擊，放置儀器2 打開水銀輝光放電管電源3 調(diào)

8、節(jié)各儀器的光路使其共軸鼠標左鍵單擊儀器，可以使儀器的水平高度降低；鼠標右鍵單擊儀器，可以使儀器的水平高度升高4 調(diào)整標準具鼠標雙擊標準具，標準具進入調(diào)整狀態(tài)調(diào)節(jié)標準具，寫出標準具的調(diào)節(jié)方法，調(diào)節(jié)完畢返回。5 右擊鼠標，選擇“實驗項目”，點擊“鑒別兩種偏振成分”，改變偏振片的偏振方向，觀察Hg(546.1nm譜線的分裂情況，寫出鑒別成分和成分的方法；點擊“觀察塞曼裂距的變化”，觀察第k級圓環(huán)和第k+1級圓環(huán)的成分重疊情況。6 返回到“塞曼效應(yīng)”實驗主平臺。（2） 點擊“平行磁場方向觀察塞曼分裂”1 右擊鼠標，選擇“實驗光路圖”，按照實驗光路圖，安排各裝置的正確位置鼠標單擊儀器，進入拖動狀態(tài)；鼠標再次