塞曼效應(yīng)實驗的匯報材料

1、近代物理實驗報告塞曼效應(yīng)實驗時 間 2014 年3月16日塞曼效應(yīng)實驗實驗報告【摘要】：本實驗通過塞曼效應(yīng)儀與一些觀察裝置觀察汞Hg546.1 nm譜線3Si»2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(yīng)塞總分為裂線的波數(shù)增量，最后得出荷 質(zhì)比?！娟P(guān)鍵詞】：塞曼效應(yīng)、汞546.1 nm、橫效應(yīng)、塞總分為裂線、荷質(zhì)比【引言】：塞曼效應(yīng)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(yīng)"。在后來進一步研究發(fā)現(xiàn)，很多原子的光譜

2、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(yīng)。塞曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使人們對物質(zhì)光譜、原子、分子有更多了解，塞曼效應(yīng)證實了原子磁矩的 空間量子化，為研究原子結(jié)構(gòu)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(yīng)可以測量電子的荷質(zhì)比。在天體物理中，塞曼效應(yīng)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(yīng)，同時利用塞滿效應(yīng)測量電子的荷質(zhì)比?！菊摹浚阂?、塞曼分裂譜線與原譜線關(guān)系1、磁矩在外磁場中受到的作用(1)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，也

3、就是總角動量Pj繞磁場方向旋進。(2)磁矩在外磁場中的磁能：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：原子受磁場作用而旋進引起的附加能量M為磁量子數(shù)g隨耦合類型不同LS耦合和jj耦合g為朗道因子，表征原子總磁矩和總角動量的關(guān)系， 有兩種解法。在 LS耦合下：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丨個值，即 E有(2J+1)個可能值。無外磁場時的一個能級，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(guān)系：(1)根本出發(fā)點：B-0Ef盼過hv加 嗎分裂后

4、譜線與原譜線頻率差由于為方便起見，常表示為波數(shù)差定義為洛侖茲單位：3、譜線的偏振特征：塞曼躍遷的選擇定如此為： 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J=0時，M=0到M=0的躍遷被禁止。當厶M=± 1時，為b成份，c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與觀察方向都有關(guān)：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+偏振 M= -1為左旋圓偏振光-偏振也即，磁場指向觀察者時：O M= +1為左旋圓偏振光 M= -1為右旋圓偏振光分

5、析的總思路和總原如此：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：在磁場指向觀察者時：O 當厶M= +1時，光子角動量為，與同向電磁波電矢量繞逆時針方向轉(zhuǎn)動，在光學上稱為左旋圓偏振光。 M= -1時，光子角動量為，與反向電磁波電矢量繞順時針方向轉(zhuǎn)動，在光學上稱為右旋圓偏振光。例：Hg 5461?譜線，6S7S3Sl 6S6P 3F2能級躍遷產(chǎn)生分裂后，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

6、珀羅標準器F P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。 假如兩平行的鍍銀平面的間隔不可以改變，如此稱該儀器為法布里一珀羅干預儀。標準具在空氣中使用時，干預方程干預極大值為 標準具有兩個特征參量自由光譜 X圍和分辨本領(lǐng)。自由光譜X圍的物理意義：明確在給定間隔圈原度為 d的標準具中，假如入射光的波長在入入+入間或波數(shù)在間所產(chǎn)生的干預圓環(huán)不重疊，假如被研究的譜線波長差大于自由光譜X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

7、的光譜波長X圍來確定間隔圈的厚度。分辨本領(lǐng)：對于F P標準具N為精細度，兩相鄰干預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% 入=546.1 nm 時入二、實驗儀器與裝置該實驗可采用多種儀器與方法，一般常用的是在塞曼效應(yīng)儀上加以不同的觀察裝置。觀察塞曼效應(yīng)的實驗裝置圖如下所示：N咲-S*汞1-r 卜 1一 CCD9遠ttk捺譜儀p標準具上，由偏振片鑒別成分和 成分，再經(jīng)成像透鏡將干預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(yīng)時，可將電磁鐵極中的芯子抽出，磁極轉(zhuǎn)90o，光從磁極中心痛過。將 1/4波片置于偏振片前方，轉(zhuǎn)動偏振片

8、可以觀測成分的左旋和右旋圓偏振光。本實驗室的 WPII /II A塞曼效應(yīng)儀，采用 CCD望遠鏡觀察，計算機采集圖像并處理， 整套儀器組成如如下圖：源鐵電磁勵鏡7 CCD望遠鏡8 導軌'圖（3*5）4 偏振片5 干渉濾光片（中心波長;546Jnm）6 F-P標準具（間距2mm）三、實驗目的1. 觀察塞曼效應(yīng)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(zhì)比。四、實驗內(nèi)容與方法本實驗通過塞曼效應(yīng)儀與一些觀察裝置觀察汞Hg546.1 nm譜線3S 3P2躍遷的塞曼分裂，用FP標準具測量波長差與電子的荷質(zhì)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

9、等高。注意：調(diào)節(jié)共軸等高是本實驗的一個關(guān)鍵點也是一個難點，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一樣來調(diào)節(jié)共 軸等高。2. 觀察汞Hg546.1 nm譜線在B=0與0時的物理圖像。轉(zhuǎn)動偏振片，檢查橫效應(yīng)和縱效 應(yīng)下分裂的成分。本實驗主要研究橫效應(yīng)3. 測量與數(shù)據(jù)處理：將橫效應(yīng)的成分觀察到的圖像保存成 jpg或bmp格式，用塞曼效應(yīng)分析軟件測量出k、k-1和k-2級各干預圓環(huán)的直徑，用特斯拉計測量汞燈處的磁場B。利用常數(shù)dd=2mm與公式計算出？ v,再計算e/m。五、實驗數(shù)據(jù)與結(jié)論1. 實驗數(shù)據(jù)：11x 10 C/kg。實驗測得：加磁

10、場時汞燈處B=1235mTB=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(yīng)的前提。用塞曼效應(yīng)分析軟件處理后結(jié)果為:從圖中我們可以看出所得到的電子的荷質(zhì)比為1.865此處未加上數(shù)量級，與理論的1.7588的誤差為：1.865 1.7588 go% 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 展屢次測量。2. 理論計算我們知道理論46.7B(m 1T 1)，因為M2g2 M1g1代入理4 mc論的荷質(zhì)比e/m與實際的磁場強度 B,后得出M2g2 M1g10.81，而實際D'( ) D2()k 昭()Dk()代入結(jié)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(zhì)比e/m 1.884 10，與軟件得出結(jié)果較為接近。3. 誤差分析1調(diào)節(jié)共軸等高的時候存在誤差。2