仿真實驗報告【范本模板】

(2(2)大學物理仿真實驗報告-—塞曼效應一、實驗簡介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（Zeeman）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。塞曼效應是法拉第磁致旋光效應之后發(fā)現(xiàn)的又一個磁光效應。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、分子有更多了解。塞曼效應另一引人注目的發(fā)現(xiàn)是由譜線的變化來確定離子的荷質(zhì)比的大小、符號。根據(jù)洛侖茲（H.A。Lorentz）的電子論，測得光譜的波長，譜線的增寬及外加磁場強度，即可稱得離子的荷質(zhì)比。由塞曼效應和洛侖茲的電子論計算得到的這個結果極為重要，因為它發(fā)表在J、J湯姆遜（J、JThomson）宣布電子發(fā)現(xiàn)之前幾個月,J、J湯姆遜正是借助于塞曼效應由洛侖茲的理論算得的荷質(zhì)比，與他自己所測得的陰極射線的荷質(zhì)比進行比較具有相同的數(shù)量級，從而得到確實的證據(jù),證明電子的存在。塞曼效應被譽為繼X射線之后物理學最重要的發(fā)現(xiàn)之一。1902年，塞曼與洛侖茲因這一發(fā)現(xiàn)共同獲得了諾貝爾物理學獎（以表彰他們研究磁場對光的效應所作的特殊貢獻）。至今，塞曼效應依然是研究原子內(nèi)部能級結構的重要方法。本實驗通過觀察并拍攝Hg（546.1nm）譜線在磁場中的分裂情況，研究塞曼分裂譜的特征，學習應用塞曼效應測量電子的荷質(zhì)比和研究原子能級結構的方法。二、實驗目的1。學習觀察塞曼效應的方法觀察汞燈發(fā)出譜線的塞曼分裂；2。觀察分裂譜線的偏振情況以及裂距與磁場強度的關系；3?利用塞曼分裂的裂距，計算電子的荷質(zhì)比em數(shù)值。e三、實驗原理1、譜線在磁場中的能級分裂設原子在無外磁場時的某個能級的能量為E，相應的總角動量量子數(shù)、軌道量子數(shù)、0自旋量子數(shù)分別為J、L、S.當原子處于磁感應強度為B的外磁場中時，這一原子能級將分裂為2J+1層。各層能量為E二E+MgyB（1）0B其中M為磁量子數(shù)，它的取值為J，J-1,..o,-J共2J+1個；g為朗德因子；卩為Bhc玻爾磁矩（卩"二）；B為磁感應強度.B4nm對于L-S耦合g二1+八八1)一+1)+z+1)2J(J+1)假設在無外磁場時，光源某條光譜線的波數(shù)為3)二丄(E-E)3)hc0201式中h為普朗克常數(shù);c為光速。而當光源處于外磁場中時，這條光譜線就會分裂成為若干條分線,每條分線波數(shù)為別為y+A~彳+丄(AE-AE)=『+(Mg-Mg)00hc2102211+(Mg-Mg)L02211所以，分裂后譜線與原譜線的頻率差(波數(shù)形式)為4)~~~Be

A二『-~=(Mg-Mg)L=(Mg-Mg)4)0221122114兀meL為洛倫茲單位(L二46.7BL為洛倫茲單位(L二46.7B)，外磁場的單位為T(特斯拉)，波數(shù)L的單位為米-1特斯拉L。M.、M】的選擇定則是：AM=0時為兀成分，是振動方向平行于磁場的線偏振光，只能在垂直于磁場的方向上才能觀察到，在平行于磁場方向上觀察不到,但當AJ=0時，M2=0,至UM]=0的躍遷被禁止；AM=±1時，為b成分，垂直于磁場觀察時為振動垂直于磁場的線偏振光，沿磁場正方向觀察時，am=+1為右旋偏振光，AM=-1為左旋偏振光.若躍遷前后能級的自旋量子數(shù)S都等于零，塞曼分裂發(fā)上在單重態(tài)間，此時，無磁場時的一條譜線在磁場作用下分裂成三條譜線，其中AM=+1對應的仍然是b態(tài),AM=0對應的~eB是兀態(tài)，分裂后的譜線與原譜線的波數(shù)差A二L二。這種效應叫做正常塞曼效應.4兀me下面以汞的546.1nm譜線為例來說明譜線的分裂情況。汞的546.1nm波長的譜線是汞原子從%S7S)3S到%S6P)3P能級躍遷時產(chǎn)生的，其上下能級的有關量子數(shù)值和能級分12裂圖形如表1—1所示。表1—1原子態(tài)符號3S13P2L01S12J12g23/2M1、0、一12、1、0、—1、一2Mg2、0、一23、3/2、0、-—3/2、一3可見,546.1nm的一條譜線在磁場中分裂成了九條譜線，當垂直于磁場方向觀察時，中央三條譜線為兀成分，兩邊各三條譜線為b成分；沿磁場方向觀察時，兀成分不出現(xiàn)，對應的六條線分別為右旋和左旋偏振光。2、法布里-珀羅標準具塞曼分裂的波長差很小，波長和波數(shù)的關系為4=Z，若波長九二5X10-7m的譜線在B=1T的磁場中，分裂譜線的波長差約只有10-11m.因此必須使用高分辨率的儀器來觀察。本實驗采用法布里-珀羅（F-P）標準具.F-P標準具是由平行放置的兩塊平面玻璃或石英玻璃板組成，在兩板相對的平面上鍍有高反射率的薄銀膜，為了消除兩平板背面反射光的干涉，每塊板都作成楔形。由于兩鍍膜面平行，若使用擴展光源，則產(chǎn)生等傾干涉條紋。具有相同入射角的光線在垂直于觀察方向的平面上的軌跡是一組同心圓。若在光路上放置透鏡，則在透鏡焦平面上得到一組同心圓環(huán)圖樣。在透射光束中，相鄰光束的光程差為TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"△=2ndcos申（5）取n=1\o"CurrentDocument"A=2ndcos申（6）

產(chǎn)生亮條紋的條件為\o"CurrentDocument"2dcosQ=K九（7）式中K為干涉級次；九為入射光波長.我們需要了解標準具的兩個特征參量是1、自由光譜范圍（標準具參數(shù)）A~或氏同一光源發(fā)出的具有微小波長差的單FSRFSR色光九和九（九九），入射后將形成各自的圓環(huán)系列。對同一干涉級，波長大1212的干涉環(huán)直徑小，所示。如果九1和九2的波長差逐漸加大,使得九1的第m級亮環(huán)與九2的第（m-1）級亮環(huán)重合，則有8)2ndcos0二m九=(m—1)九8)12得出—九1m(9)由于大多數(shù)情況下，cos得出—九1m(9)由于大多數(shù)情況下，cos9沁18）式變?yōu)閙2ndT1并帶入（9）式，得到2nd(10)九九2nd(10)=^-22nd它表明在F—P中，當給定兩平面間隔d后,入射光波長在九一A九間所產(chǎn)生的干涉圓環(huán)不發(fā)生重疊。2、分辨本領((17)((17)定義△為光譜儀的分辨本領，對于F-P標準具，它的分辨本領為11)K為干涉級次，N為精細度,它的物理意義是在相鄰兩個干涉級之間能分辨的最大條紋數(shù)。N依賴于平板內(nèi)表面反射膜的反射率R。12)反射率越高，精細度就越高，儀器能分辨開的條紋數(shù)就越多。定義△為光譜儀的分辨本領，對于F-P標準具，它的分辨本領為11)K為干涉級次，N為精細度,它的物理意義是在相鄰兩個干涉級之間能分辨的最大條紋數(shù)。N依賴于平板內(nèi)表面反射膜的反射率R。12)反射率越高，精細度就越高，儀器能分辨開的條紋數(shù)就越多。利用F-P標準具，通過測量干涉環(huán)的直徑就可以測量各分裂譜線的波長或波長差。參見圖2,出射角為0的圓環(huán)直徑D與透鏡焦距f間的關系為tan0=尋，對于近中心的圓環(huán)0很小，可以認為°-sin0沁tan0，于是有0cos0二1-2sin2u1—213)代入到（7）式中，得2ndcos0二2nd(1一14)由上式可推出同一波長九相鄰兩級K和（K-1）級圓環(huán)直徑的平方差為AD2=D2—D2=4f2入K—1Knd(15)可以看出，AD2是與干涉級次無關的常數(shù)。設波長九和九的第K級干涉圓環(huán)直徑分別為D和D，由（14）式和（15）式得ababnd九一九(D2ab4f2Kb得出九2波長差A九=2nd—D2)D2—D2、九—(―b—a——)—aD2—D2KK—1KD2—D2b）D2—D2K—1K(16)1D2—D2波數(shù)差TOC\o"1-5"\h\zA=_(—波數(shù)差2ndD2—D2K—1K3、用塞曼效應計算電子荷質(zhì)比￡m對于正常塞曼效應，分裂的波數(shù)差為1818)1818)eBAeBAy=L=4兀me代入測量波數(shù)差公式(17),得e2兀cD2-D2TOC\o"1-5"\h\z——=-(ba—mndBD2-D2K-1K若已知d和B，從塞曼分裂中測量出各環(huán)直徑，就可以計算出電子荷質(zhì)比四、實驗內(nèi)容通過觀察Hg(546.1nm)綠線在外磁場中的分裂情況并測量電子荷質(zhì)比。1、在顯示器上調(diào)整并觀察光路。實驗裝置圖標準具光路圖實驗裝置圖標準具光路圖、在垂直于磁場方向觀察和紀錄譜線的分裂情況，用偏振片區(qū)分成分兀和b成分，改變勵磁電流大小觀察譜線分裂的變化，同時觀察干涉圓環(huán)中b成分的重疊.、在平行于磁場方向觀察和紀錄譜線的分裂情況及變化.、利用計算機測量和計算電子的荷質(zhì)比，打印結果。五、實驗結果經(jīng)過測量可得D=154。0mmD=166.0mmabDk=166。0mmDk—1=257。0mmDk'154.0mmDk—1'=252.5mme帶入上述公式可得電子的荷質(zhì)比一=1.65x1011me，二1.62x1011me

取二者平均值得一=1.64x1011m實驗誤差E=(1.72—1.64)/1.76=4。7%六、誤差分析測量磁場時霍爾元件可能未與磁場完全垂直而導致測量的磁場偏小而導致結果偏大。未能給出法珀腔介質(zhì)折射率而是使用n=1代替而導致結果偏大.在圖上找圓心時不夠準確而導致誤差。汞燈放置位置不一定是垂直的,因此光線方向分量有誤差.七、思考題1?如何鑒別F-P標準具的兩反射面是否嚴格平行？如發(fā)現(xiàn)不平行應該如何調(diào)節(jié)？例如當眼睛向某方向移動，觀察到干涉紋從中心冒出來，應如何調(diào)節(jié)？答：實驗時當眼睛上下左史移動時候，圓環(huán)無吞吐現(xiàn)象時說明F—P標準具的兩反射面基本平行了。當發(fā)現(xiàn)不平衡時，利用標準具上的三個旋鈕來調(diào)節(jié)水平。如果當眼睛向某方向移動，觀察到干涉紋從中心冒出來時，由干涉公式可得該處的等傾干涉條紋所對應的厚度較大。此時應調(diào)節(jié)旋扭減小厚度；相反若干涉條紋有吞吐現(xiàn)象則條紋的級數(shù)在減小，那么該處的等傾條紋對應的厚度較小，此時應調(diào)節(jié)旋扭增加厚度.最后直至干涉條紋穩(wěn)定，無吞吐現(xiàn)象發(fā)生。2。已知標準具間隔圈厚度d=5mm,該標準具的自由光譜范圍是多大?根據(jù)標準具自由光譜范圍及546.1nm譜線在磁場中的分裂情況，對磁感應強度有何要求?若B=0.62T,分裂譜線中哪幾條將會發(fā)生重疊？、九九九2標準具厚度d=5mm自由光譜范圍A九二才產(chǎn)沁，所用的Hg燈入=546.1nm,故2d2dA入=1。065A.故磁感應強度應大于0。72T，若B=