塞曼效應(yīng)實驗

1、塞曼效應(yīng)實驗塞曼效應(yīng)實驗普通物理普通物理( (近代物理近代物理) )實驗實驗背景簡介背景簡介 塞曼效應(yīng)是物理學(xué)史上一個著名的實驗。1896年荷蘭物理學(xué)家塞曼發(fā)現(xiàn)把產(chǎn)生光譜的光源置于足夠強(qiáng)的磁場中，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)。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(yù)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)獎塞曼 P

2、ieter Zeeman 塞曼效應(yīng)實驗塞曼效應(yīng)實驗實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康膶嶒瀮x器實驗儀器思考問題思考問題實驗原理實驗原理實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理注意事項注意事項實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?1. 利用高分辨光譜儀（如法布里玻羅標(biāo)準(zhǔn)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； 2. 利用光譜學(xué)的方法，測定電子的荷質(zhì)比。 實驗儀器圖1 塞曼效應(yīng)實驗儀結(jié)構(gòu)1. 磁鐵座 2. 電磁鐵 3. 筆型汞燈及架 4. 聚光鏡偏振片調(diào)節(jié)架 5.干涉濾光片光欄架 6. 法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具 7. 攝譜物鏡 8. 攝譜裝置 (或測量望遠(yuǎn)鏡) 9. 導(dǎo)軌 123456788 9實驗原理

3、圖2 原子角動量和磁矩矢量圖 1. 電子的角動量和磁矩 原子的總磁矩等于電子的軌道磁矩和自旋磁矩之和。電子具有的軌道總角動量 及自旋總角動量 的數(shù)值分別為：lPsP2) 1(hllPl2) 1(hSSPsl,s分別表示軌道量子數(shù)和自旋量子數(shù),它們合成為原子的總角動量jPlsPsjPlPjjP 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 J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 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-enLlS2jjegPm 111121()()(

4、)()J JL LS SgJ J 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，在LS耦合下： jMB 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力矩使原子的總磁矩繞磁場方向旋進(jìn)，也就是總角動量繞磁場方向旋進(jìn),旋進(jìn)會引起原子能級的附加能量為： 2coscosjjjeEBBgBPm 4/Behm 其中， 為玻爾磁子。2.原子力矩和在磁場中的能量移動 4BehEMgBMgBm 由于原子總角動量在磁場中的取向是量子化的，即:cosjPM M稱為磁量子數(shù)，只能取 共2J+1個值。代入上式有: 1,MJ

5、JJ 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 2/32P例：能級2/32P2/3 , 2/1 , 2/1, 2/32/3MJ分裂為四條2/32/12/12/3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: 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。在外磁場中，上下能級都將獲得一個附加能量 這樣上下兩個能級之間的躍遷將產(chǎn)生頻率為 的譜線,滿

6、足： BgMgMhhB1122meBgMgM41122BmceBLLgMgM1511221067. 4411線禁戒）時，線（當(dāng)1000MMJM躍遷選擇定則: 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6S7S3S16S6P3P2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 4. 法布里法布里珀羅珀羅標(biāo)準(zhǔn)具測量波長差的方法標(biāo)準(zhǔn)具測量波長差的方法 從FP標(biāo)準(zhǔn)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 22221

7、8cos()Dddkf 221218cos/Df kD對于不同波長 和 的同次級k的干涉園環(huán)有 2224()kkdDDf k 22214kkf kDDd對于相同波長 和的不同次級k和k1級的干涉園環(huán)有 1kk1kkkDdDDDDkkkk2222122=546.1nm2 /kd 代入：汞燈綠光波長：31191010956. 910602192. 1eme111075880. 1eme221222kkkbkaDDDDBdcme5. F FP P標(biāo)準(zhǔn)具測量測電子荷質(zhì)比標(biāo)準(zhǔn)具測量測電子荷質(zhì)比參考值：1.調(diào)整光路，使光束通過各光學(xué)元件的中心，調(diào)節(jié)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的平行度，使能觀察到清晰的等傾干涉圓環(huán)。2.逐

8、漸加大磁鐵電流，觀察Hg5461譜線的塞曼分裂現(xiàn)象。分別從橫向和縱向觀察譜線的分支數(shù)和偏振狀態(tài)。判別平面偏振的偏振方向及圓偏振光圓偏振的旋向。將所觀察到的結(jié)果與理論相比較。 3.用讀數(shù)顯微鏡選出4個級次的干涉環(huán)進(jìn)行圓環(huán)直徑的測量，通過公式計算出電子的荷質(zhì)比 之值。實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容1. 自擬表格記錄干涉圓環(huán)直徑數(shù)據(jù)，及外加磁場數(shù)據(jù)。2. 算出電子荷質(zhì)比，作誤差分析。數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理注意事項注意事項 1汞燈的電壓近萬伏，工作時要注意安全。 2必須逐漸使磁場降低到零時，才能切斷電磁電源，以防損壞電磁鐵。 3注意保護(hù)磁極，不要使其端面受撞或劃痕。在磁極間裝、卸汞燈時，要使燈管與兩端面積保持1mm的距離。 4所有光