物理實驗教學(xué)中心

1、物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center賽 曼 效 應(yīng)物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center1.賽曼效應(yīng)在大學(xué)物理屬于原子物理范疇的一個實驗，它是研究原子的光譜受磁場的影響的一個基礎(chǔ)性實驗；2.實驗的理論意義和歷史意義；3.本實驗的性質(zhì)實驗簡介實驗簡介物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center1.塞曼效應(yīng)的簡介1. 賽曼效應(yīng)在大學(xué)物理屬于原子物理范疇的一個實驗，它是研究原子的光譜受磁場的影響的一個基礎(chǔ)性實驗；2.塞曼效應(yīng)的

2、歷史意義； 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)。物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center 塞曼效應(yīng)是繼法拉第磁致旋光效應(yīng)之后發(fā)現(xiàn)的又一個磁光效應(yīng)。這個現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是對光的電磁理論的有力支持，證實了原子具有磁矩和空間取向量子化，使人們對物質(zhì)光譜、原子、分子結(jié)構(gòu)有更多了解，特別是由于及時得到洛侖茲的理論解釋，更受到人們的重視，被譽為繼X射線之后物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。 1902年，塞曼與

3、洛侖茲因發(fā)現(xiàn)塞曼效應(yīng)而共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎（以表彰他們研究磁場對光的效應(yīng)所作的特殊貢獻）。 Pieter Zeeman 物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center利用高分辨光譜儀（如法布里玻羅標準具或大型光柵攝譜儀等分光設(shè)備）觀察和拍攝汞燈譜線5461埃的塞曼效應(yīng)，并測量它的波長差。實驗?zāi)康暮鸵饬x實驗?zāi)康暮鸵饬x物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center實驗原理及設(shè)計實驗原理及設(shè)計 賽曼效應(yīng)實驗是研究原子的光譜在磁場中受磁場影響而變化的實驗。根據(jù)原子所處的磁場強度不同譜線分裂的條數(shù)

4、不同，賽曼效應(yīng)由于歷史的習(xí)慣可分為正常賽曼效應(yīng)和反常賽曼效應(yīng)。通常一條譜線分裂條數(shù)為三條的效應(yīng)叫正常賽曼效應(yīng)(可以用經(jīng)典理論加以解釋)，多于三條的叫反常賽曼效應(yīng)（只能用量子理論解釋）。反常賽曼效應(yīng)通常發(fā)生在磁場很弱或者磁場很強的條件下。 賽曼效應(yīng)的產(chǎn)生源于原子具有磁矩和空間量子化這兩個微觀屬性。原子的磁矩分為電子的磁矩和原子核的磁矩。電子的磁矩主要分為電子在核外運動所產(chǎn)生的軌道磁矩和電子本身所具有的自旋磁矩。塞曼效應(yīng)主要是磁場和原子內(nèi)電子的磁矩相互作用后的效應(yīng)，不涉及原子核的磁矩問題（原子核磁矩比電子的磁矩要小三個數(shù)量級）。物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & t

5、eaching center 正常賽曼效應(yīng)的產(chǎn)生是由于原子電子的軌道磁矩與磁場作用的結(jié)果。而反常賽曼效應(yīng)則是原子的電子總磁矩（軌道磁矩加自旋磁矩）和磁場相互作用的結(jié)果，在磁場較弱時，原子的軌道磁矩與自旋磁矩首先耦合后再和外磁場作用，產(chǎn)生所謂的一般的反常塞曼效應(yīng)；如果磁場極強時，則原子的軌道磁矩與自旋磁矩分別和磁場相互作用，從而產(chǎn)生所謂的帕刑巴克效應(yīng)。 下面就原子磁矩和磁場相互作用原理來定量分析原子譜線分裂行為： 一一 理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)： 物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center1.電子的角動量和磁矩 電子具有軌道角動量 和自旋角動量

6、，其值是量子化的，分別為 lP sP 1()lPL L1()sPS S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)。電子的軌道磁矩和自旋磁矩與軌道磁矩和自旋磁矩的關(guān)系為： 2llePm ssePm ri-enLlS物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center原子的總角動量為軌道角動量和自旋角動量的和,即jlsPPPls 1()jPJ J2jjegPm 其取值也是量子化的其中J為總角動量量子數(shù)。相應(yīng)的原子的總磁矩為軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和 原子的有效磁矩為：物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teach

7、ing center111121()()()()J JL LS SgJ J jMB 其中g(shù)為朗德因子，它表征原子總磁矩和總角動量的關(guān)系，其值決定于軌道角動量和自旋角動量的耦合形式，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： 2.原子所受到的力矩和在磁場中的能量移動 原子由于磁矩的存在，在磁場中就會受到磁場的力矩作用，原子的總磁矩在外磁場中受到的力矩為： BJ物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center2coscosjjjeEBBgBPm 4BehEMgBMgBm 力矩使原子的總磁矩繞磁場方向旋進，也就是總角動量繞磁場方

8、向旋進,旋進會引起原子能級的附加能量為： 其中， 為玻爾磁子。由于原子總角動量在磁場中的取向是量子化的，即4/Behm cosjPM M稱為磁量子數(shù)，只能取 共2J+1個值。代入上式有 1,MJJJ 其中 稱為玻爾磁子。上式告訴我們，E有(2J+1)個可能值，也就是說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，且能級間隔為。B 物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center2/32P例：2/32P2/3 , 2/1 , 2/1, 2/32/3MJ分裂為四條2/32/12/12/32/32P能級有它的

9、g因子設(shè)頻率為 的光譜線是由原子的上能級E2躍遷到下能級E1所產(chǎn)生的，則此譜線的頻率滿足 在外磁場中，上下能級都將獲得一個附加能量 21EE 3.原子在磁場中的能級分裂111BEM gB 222BEM gB 因此，每個能級各分裂成個2J21和2J11個子能級.物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center這樣上下兩個能級之間的躍遷將產(chǎn)生頻率為 的譜線,滿足： BgMgMhhB1122meBgMgM41122BmceBLLgMgM1511221067. 4411線禁戒）時，線（當1000MMJM躍遷選擇定則:物理實驗教學(xué)中心 Physics e

10、xperiment & teaching center 本實驗的光源為汞放電管，研究Hg的5460埃譜線的賽曼分裂。Hg 5461譜線是6S7S3S1 6S6P3P2能級躍遷產(chǎn)生的。 M Mg1 20 0-1 -22 31 3/20 0-1 -3/2-2 -33S1 3P2 0B 0B 物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center二 實驗方法： 1.法布里珀羅標準器（FP標準具） 由于塞曼效應(yīng)波長分裂后的波長差很小,為以Hg 5461 譜線為例，當處于B=1T的磁場中時，2 111223 35/.Lm 21110m 要觀察如此小的波

11、長差，用一般的棱鏡攝譜儀是不可能的，需要用高分辨率的法布里珀羅標準器（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。 物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching centerF-P干涉方程（干涉極大值）為 2 cosdk 其中k為關(guān)涉級數(shù)。 物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center2.FP標準具測量波長

12、差的方法從FP標準具中透射出來的平行光，經(jīng)焦距為f的透鏡成像在焦平面上，形成同心的干涉園環(huán)，其直徑為D，如圖有tg D f2/Df tg 222218cos()Dddkf 221218cos/Df 物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching centerk1kkD對于不同波長 和 的同次級k的干涉園環(huán)有 對于相同波長 和的不同次級k和k1級的干涉園環(huán)有 dfDDkk22,2),1(4ba)()(4)(,2),1(2,2,22,2,2,kkbkakbkakbkakDDkDDkfDDd物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & te

13、aching center546 1 . nm 參考參數(shù)：汞2 /kd 代入：)(2)(,2),1(2,2,22,kkbkakbkakDDdDD)(21,2),1(2,2,2kkakbkDDDDd物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center31191010956. 910602192. 1eme1210175880. 0eme221222kkkkDDDDBdcme2.FP標準具測量測電子荷質(zhì)比測電子荷質(zhì)比( (不做）不做）物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center二、實驗儀器與裝置二、實驗儀器與裝置圖1-3-5 塞曼效應(yīng)實驗裝置圖物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching centerF-PF-P標準具（法布標準具（法布里里珀羅標準具）珀羅標準具） 透鏡：增強光強透鏡：增強光強物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center濾波片：根據(jù)實驗選擇所觀察的波長，實驗中通過濾光片得到Hg-546.1nm的譜線 ：物理實驗教學(xué)中心 Physics experiment & teach