汞光譜546.07nm譜線塞曼分裂能級躍遷和偏振分析

1、汞光譜546.07nm譜線塞曼分裂能級躍遷和偏振分析07級光信息科學(xué)與技術(shù) 徐鈺晨 07300720372This issue is about transitions between splitting energy levels of the 546.07nm spectral line of atom Hg and the polarization characteristics of the photons. I used an F-P interferometer and a CCD camera to observe the splitting lines. The nine sp

2、ectral lines are corresponding to the transitions denoted by the Dirac Notation |1 M|2 M1，0. When observed along the magnetic field, the lines with M=-1 are rotating left, and the lines with M=+1 are rotating right. No lines with M=0 was observed. When observed in the direction normal to the magneti

3、c field, the lines with M=1 vibrate in the direction normal to both the magnetic field and the direction in which you observe, and the lines with M=0 vibrate along the magnetic field.近代物理實(shí)驗 塞曼效應(yīng) 能級躍遷 偏振 CCD拍攝 F-P干涉 汞光譜引言本文選取汞的綠譜線（546.07nm），研究它在磁場中發(fā)生塞曼分裂得到的9條譜線對應(yīng)的子能級躍遷（總自旋量子數(shù)J和磁量子數(shù)M）的變化，以及各條譜線的偏振特點(diǎn)。經(jīng)

4、過塞曼分裂，可以得到到3條線（M=0）和6條線（M=1），在縱向觀察時看不到線。在實(shí)驗中，用F-P干涉儀進(jìn)行分光，用CCD攝像機(jī)來觀察成像條紋，用偏振片和1/4波片來確定輻射光子的偏振態(tài)。確定偏振態(tài)的原理十分簡單，用1/4波片可以將圓偏振光轉(zhuǎn)化為線偏振光，偏振片可以使偏振方向與其透振方向一致的光通過而將偏振方向與其透振方向垂直的光完全阻擋。對于塞曼效應(yīng)，在本文需要了解的知識不是很多，只是要假定我們已經(jīng)知道綠譜線是由能級躍遷產(chǎn)生的，并且總共有9條分裂譜線。對于F-P干涉，需要知道的是不同頻率的譜線經(jīng)過F-P干涉儀分光后在成像面上的排布情況。此外，我們還需知道1/4波片具體的工作原理，光子-電子體

5、系角動量守恒，以及光子自旋和光的偏振態(tài)之間的關(guān)系。以上的知識已經(jīng)足夠分析出各分裂譜線對應(yīng)的子能級躍遷和偏振態(tài)。理論1.賽曼分裂汞的綠譜線由于塞曼效應(yīng)分裂成9條譜線，3條線和6條線。他們的頻率各不相同，具體可表示為：0表示原來譜線的頻率，M1、M2是相應(yīng)能級的磁量子數(shù)，L是洛倫茲單位，c是光速，g1、g2是LS耦合時的朗德因子，它們?yōu)橐阎G譜線對應(yīng)的能級躍遷為，則可計算得g1=2,g2=3/2。繼而可以計算得到（M2g2-M1g1）的理論值，確定與0的大小關(guān)系。2.F-P干涉F-P干涉儀分光特性如下：在同一級次中，頻率大的排布在外層，頻率小的排布在內(nèi)層。3.1/4波片的工作原理 1/4波片有互相

6、垂直的一對快軸和慢軸，將任意偏振態(tài)的光分解為在這兩個方向上的線偏振光，則通過慢軸的線偏振光在想為上會落后/2，即產(chǎn)生附加相位-/2。4.光子自旋和其偏振態(tài)的關(guān)系光子具有自旋，其方向與電矢量的旋轉(zhuǎn)方向滿足右手螺旋關(guān)系，即順著光子自旋的方向看，電矢量是順時針轉(zhuǎn)動的。結(jié)果與討論1.各分裂譜線對應(yīng)的子能級躍遷首先橫向觀察塞曼效應(yīng)。所加磁場大小為0.88T，得到的分裂圖像如下圖：將圖中同1級條紋中的9條譜線從內(nèi)向外一次編號1至9，經(jīng)過計算，得到各譜線與M1、M2、(Mg)=(M1g1-M2g2)、頻率的對應(yīng)關(guān)系于下表：編號J1M1J2M2(Mg)11-120-20-2Lc21021-3/20-(3/2)

7、Lc31122-10-Lc41-12-1-1/20-(1/2)Lc5102000611211/20+(1/2)Lc71-12-210+Lc8102-13/20+(3/2)Lc9112020+2Lc注：，e為元電荷電量，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，m為電子靜質(zhì)量，c為光速。2.各譜線的對應(yīng)的光子偏振態(tài)（1）橫向觀察得到前面所看到的9條分裂譜線后，在聚焦透鏡后加上偏振片，旋轉(zhuǎn)至透振方向與磁場方向一致是，只剩下中間三條譜線，說明這三條譜線的偏振方向和磁場方向一致。旋轉(zhuǎn)至透振方向與磁場方向垂直時，中間三條譜線消失，而兩邊的6條譜線與未加偏振片時相同，說明這6條譜線的偏振方向與磁場方向垂直。（2）縱向觀察縱向觀察時

8、只能看到兩邊的6條譜線，中間3條譜線沒有觀察到。在未加1/4波片的情況下，旋轉(zhuǎn)偏振片，發(fā)現(xiàn)圖像無變化，說明這6條譜線對應(yīng)的偏振態(tài)均為圓偏振。加上1/4波片，是其慢軸垂直于磁場方向，以此方向向上為y軸正向，磁場方向為z軸正向建立笛卡爾坐標(biāo)系。yz(B)x使偏振片透振方向在xy平面一、三象限并與x軸成45度角時，只剩下內(nèi)層3條譜線可見。這表示內(nèi)層3條譜線對應(yīng)的是左旋偏振光。使偏振片透振方向在xy平面二、四象限并與x軸成45度角時，只剩下外層3條譜線可見。這表示外層3條譜線對應(yīng)的是右旋偏振光。此時將磁場反向，發(fā)現(xiàn)譜線對應(yīng)的偏振方向正好相反，這說明譜線對應(yīng)的是左旋圓偏振還是右旋圓偏振與光的傳播方向無關(guān)，而是與磁場方向有關(guān)。在沿著磁場方向觀察時，內(nèi)層3條譜線對應(yīng)左旋偏振，外層3條譜線對應(yīng)右旋偏振，沿著磁場反方向觀察時，內(nèi)層3條譜線對應(yīng)右旋偏振，外層3條譜線對應(yīng)左旋偏振。這就很好的映證了光子自旋和電矢量旋轉(zhuǎn)方向之間的右手螺旋關(guān)系。當(dāng)M2-M1=1時，電子在磁場方向上的角動量增加，則發(fā)射出的光子具有沿磁場反方向的角動量，沿磁場方向觀察就對應(yīng)著左旋圓偏振光；當(dāng)M2-M1=-1時，電子在磁場方向的角動量減少，則發(fā)射出的光子具有沿磁場方向的角動量，沿磁場方向觀察就對應(yīng)著右旋圓偏振光。當(dāng)M2-M1=0時，電子在磁