塞曼效應實驗課件

1、塞 曼 效 應 實 驗四川大學物理系大學近代物理實驗塞 曼 效 應 實 驗四川大學物理系大學近代物理實驗實驗介紹P.Zeeman 1865-1943 荷蘭塞曼效應是物理學史上一個著名的實驗。荷蘭物理學家塞曼在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。 實驗介紹P.Zeeman 1865-1943 荷蘭塞 法拉第旋光效應（1845年）和克爾效應（1875年）的發(fā)現(xiàn)在當時引起了眾多物理學家的興趣。1862年法拉第出于“磁力和光波彼此有聯(lián)系”的信念,曾試圖探測磁場對鈉黃光的作用,但因儀器精度欠佳未果。

2、 M.Faraday 1791-1867 英國 塞曼在法拉第的信念的激勵下,經(jīng)過多次的失敗,最后用當時分辨本領(lǐng)最高的羅蘭凹面光柵和強大的電磁鐵,終于在1896年發(fā)現(xiàn)了鈉黃線在磁場中變寬的現(xiàn)象,后來又觀察到了鎘藍線在磁場中的分裂。 法拉第旋光效應（1845年）和克爾效應（1875年）塞曼在洛侖茲的指點和洛侖茲經(jīng)典電子論的指導下,解釋了正常塞曼效應和分裂后的譜線的偏振特性,并且估算出的電子的荷質(zhì)比與幾個月后湯姆遜從陰極射線得到的電子荷質(zhì)比相同。塞曼效應不僅證實了洛侖茲電子論的準確性,而且為湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子提供了證據(jù)。也證實了原子具有磁矩并且空間取向是量子化的。1902年洛侖茲和塞曼因此而共享了諾貝爾

3、物理學獎。塞曼在洛侖茲的指點和洛侖茲經(jīng)典電子論的指導下,解釋了正常 本實驗通過高分辨率的分光器件法布里-珀羅觀察546.1nm 汞綠線在磁場中的分裂，并測量分裂譜線的波數(shù)差等物理量。實驗目的1、加深對原子磁矩及空間量子化等原子物理 學概念的理解 2、學習法布里-珀羅標準具和CCD器件在光譜測量中的應用 本實驗通過高分辨率的分光器件法實驗原理 塞曼效應的產(chǎn)生是原子磁距與外加磁場作用的結(jié)果。根據(jù)原子物理理論，無外磁場時，原子某個能級的能量為E0；在外磁場作用下，這一原子能級的能量將增加或減少，分裂為2J+1層： M為磁量子數(shù) ，只能取J，J-1，J-2 -J（共2J+1）個值 ；g為朗道因子，表征

4、原子總磁矩和總角動量的關(guān)系，g隨耦合類型不同（LS耦合和jj耦合）而不同。 實驗原理 塞曼效應的產(chǎn)生是原子磁距與外加磁附加能量E 不僅與外磁場B有關(guān)，還與朗德因子g有關(guān)。磁量子數(shù)M共有2J+1個值，因此原子在外磁場中時原來的一個能級將分裂成 2J+1個子能級。 未加磁場時，能級E2和E1之間躍遷產(chǎn)生的光譜線頻率為 在磁場中，分裂后譜線頻率為分裂后的譜線與原譜線的頻率差 為塞曼效應實驗課件（B的單位取Gs）,L稱為洛侖茲單位。磁量子數(shù)M的選擇定則為 但是，并非任何兩個能級的躍遷都是可能的。（B的單位取Gs）,L稱為洛侖茲單位。磁量子數(shù)M的選擇定則為當 , 時除外當 時，產(chǎn)生 線，沿垂直于磁場的方

5、向觀察時，得到光振動方向平行于磁場的線偏振光。沿平行于磁場的方向觀察時，光強度為零，觀察不到。當 時，產(chǎn)生 線，合稱 線。沿垂直于磁場的方向觀察時，得到的都是光振動方向垂直于磁場的線偏振光。當光線的傳播方向平行于磁場方向時 線為一左旋圓偏振光， 線為一右旋圓偏振光。當光線的傳播方向反平行于磁場方向時，觀察到的 和 線分別為左旋和右旋圓偏振光。當 , 汞綠線是6s7s3s1能級到6s6p3P2能級躍遷產(chǎn)生的譜線，這兩個能級的分裂情況及對應的量子數(shù)M和g表示見圖。 上能級6s7s3s1分裂為三個子能級，下能級分裂為五個能級，選擇定則允許的躍遷共有九種。因此，原來的 譜線將分裂成九條譜線。分裂后的九

6、條譜線是等距的，間距都為二分之一的洛侖茲單位，九條譜線的光譜范圍為4個洛侖茲單位。各線段的長度表示譜線的相對強度。汞綠線是6s7s3s1能級到6s6p3P2能級躍遷產(chǎn)生的譜線75 100 7575 37.5 12.512.5 37.5 75-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2M2g2-M1g175 100 7575 37.5 12.512.5法布里珀羅干涉儀兩光束的光程差為：產(chǎn)生亮條紋的條件為：干涉光強分布公式F=4R/(1-R)285.211.1IT/I0k2(k+1)2014.888.998.76IR/I0R=4R=50R=801.24多光束干涉光強分布曲線法布里珀羅

7、干涉儀兩光束的光程差為：產(chǎn)生亮條紋的條件為：干涉Dm-1(2)Dm(2)Dm(1)d=5mm塞曼分裂光成分F-P干涉圖Dm-1(2)Dm(2)Dm(1)d=5mm塞曼分裂實驗儀器 0筆型汞燈、聚光鏡、標準具濾色片、法珀標準具、偏振片、會聚透鏡、直讀式望遠鏡、CCD攝像頭、顯示器、9電磁鐵21350678NS94實驗儀器 0筆型汞燈、聚光鏡、標準具濾色片、法珀標準實驗內(nèi)容 1、光路調(diào)整：調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)共軸，使從顯微鏡中觀察時，至少有5個干涉圓環(huán)可以測量。各部件的位置以及具體的調(diào)節(jié)方法和技巧由同學自己設計。 2、定性觀察：通過顯微鏡定性觀察汞546.1nm譜線的塞曼分裂現(xiàn)象。觀察磁場從無到有過程中，

8、干涉圓環(huán)與磁場B的關(guān)系，并用偏振片確定成分和成分，記下觀察結(jié)果。 實驗內(nèi)容 1、光路調(diào)整：調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)共軸，使從顯微鏡中觀察時3、CCD測量：用CCD測量系統(tǒng)對汞546.1nm譜線分裂后的線成份進行圖像的存儲和測量，并記下測量結(jié)果。 4、荷質(zhì)比計算：選用合適的F-P標準具和磁感應強度，驗證塞曼分裂的裂距，并計算電子的荷質(zhì)比e/m。3、CCD測量：用CCD測量系統(tǒng)對汞546.1nm譜線分裂后數(shù)據(jù)處理 1、由公式 計算出電子的荷質(zhì)比，并和理論值比較算出相對誤差。其中是外加磁場強度。當給直流電磁鐵加上一定的電流時，就有一定的磁場，實驗可以用毫特斯拉記測量。 是當外加磁場時同級相鄰裂變環(huán)之間的波數(shù)差。 數(shù)據(jù)處理 1、由公式2、由公式 計算出同級的兩個波數(shù)差，要求測出兩個級次四個波數(shù)差。（11）2、由公式 （11）實驗注意事項1、在暗室中操作，注意高壓安全。2、嚴禁用手和其它物體觸摸F-P標準具等光學元件的光學面以及CCD的芯片。實驗注意事項1、