實(shí)驗(yàn)塞曼效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)塞曼效應(yīng)第一頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二一、實(shí)驗(yàn)背景塞曼效應(yīng)：1896年，荷蘭物理學(xué)家塞曼將光源置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，研究磁場(chǎng)對(duì)譜線的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原來(lái)的一條譜線分裂成幾條光譜線，分裂的譜線成分是偏振的，這一現(xiàn)象稱(chēng)為塞曼效應(yīng)。

塞曼效應(yīng)證明了電子具有自旋，能級(jí)分裂是由于電子軌道與自旋磁矩相互作用的結(jié)果。第二頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察汞的546.1nm譜線在磁場(chǎng)中分裂的情況，加深對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)；2、測(cè)量上述譜線在磁場(chǎng)中分裂的裂距，求出e/m值；3、學(xué)習(xí)法布里——珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的原理、調(diào)節(jié)和使用。第三頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、實(shí)驗(yàn)原理（一）譜線在磁場(chǎng)中的分裂：由量子理論，當(dāng)光源處于磁場(chǎng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中時(shí)，能級(jí)E要發(fā)生分裂，其附加能量式中M為磁量子數(shù)；g是朗德因子；μB為玻爾磁子，其大小為式中e和me分別是電子的電量和質(zhì)量。第四頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二當(dāng)光源未受到磁場(chǎng)作用時(shí)，設(shè)電子由E2能級(jí)躍遷到E1能級(jí)，產(chǎn)生頻率為ν的譜線

當(dāng)光源受磁場(chǎng)作用時(shí)，一般地E1、E2兩個(gè)能級(jí)都要發(fā)生分裂，分別有和的附加能量。分裂的上下能級(jí)分別表示為和，它們之間的躍遷產(chǎn)生頻率為的新譜線。則有譜線的頻率變化為第五頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二相應(yīng)的波數(shù)差為式中L為第六頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二汞綠線546.1nm是躍遷的結(jié)果，按LS耦合情況下g因子計(jì)算公式：

可得能級(jí)的g值，g2=1;能級(jí)的g值，g=3/2。兩能級(jí)的M取值為：M2=1，0，-1和M2=2，1，0，-1，-2。根據(jù)選擇定則：

(當(dāng)ΔJ＝0時(shí)，ΔM被禁止),當(dāng)ΔM=0時(shí)，產(chǎn)生的偏振光為π成分。垂直于磁場(chǎng)觀察時(shí)(橫效應(yīng))，線偏振光的振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)。平行于磁場(chǎng)觀察時(shí)，π成分不出現(xiàn)。第七頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二當(dāng)ΔM=±1時(shí)，產(chǎn)生線。沿垂直于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)(橫效應(yīng))，線為振動(dòng)方向垂直于磁場(chǎng)的線振動(dòng)光。沿磁場(chǎng)方向觀察時(shí)，線為圓偏振光。對(duì)汞綠線546.1nm譜線，選擇定則允許的躍遷共有九種。因此，原來(lái)的譜線將分裂成九條譜線。分裂后的九條譜線是等距的，間距都為L(zhǎng)/2。各線段的長(zhǎng)度表示譜線的相對(duì)強(qiáng)度。用上面所述的方法，可以求出它的塞曼分裂。下圖表示在外磁場(chǎng)作用下，汞綠線能級(jí)的分裂情況。第八頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二在外磁場(chǎng)作用下，和能級(jí)的分裂第九頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（二）用標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)量波數(shù)差塞曼效應(yīng)造成的譜線很小，其相對(duì)值，即在可見(jiàn)光波段其分裂值在1/10nm數(shù)量級(jí)。棱鏡光譜儀或光柵光譜儀的分辨本領(lǐng)為103~105，故難以用常規(guī)光譜儀觀察到塞曼效應(yīng)。法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的分辨本領(lǐng)可達(dá)到106，故常用標(biāo)準(zhǔn)具來(lái)觀測(cè)塞曼效應(yīng)。

由于標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜區(qū)很小，通常要先用常規(guī)光譜儀分出一條條光譜線后，再用標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)一步分光。

第十頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二由于低壓水銀燈光源的譜線間隔很大，利用濾光片即可分離出546.1nm譜線，故本實(shí)驗(yàn)采用干涉濾光片和法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具完成分光任務(wù)。

在法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的透射光中，相鄰兩光束的光程差為在空氣中n=1，則有其中，d是標(biāo)準(zhǔn)具間隔，i是投射到標(biāo)準(zhǔn)具的光的入射角。當(dāng)光程差等于波長(zhǎng)的數(shù)倍時(shí)，形成干涉亮環(huán)，即對(duì)于k級(jí)干涉環(huán)，滿(mǎn)足第十一頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二dfi由上圖可得則有第十二頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二顯然，對(duì)某一波長(zhǎng)的光，干涉級(jí)k與干涉環(huán)直徑平方成線性關(guān)系。對(duì)某一對(duì)同一波長(zhǎng)光產(chǎn)生的相鄰兩級(jí)k和k-1線，有

對(duì)同一級(jí)不同波長(zhǎng)的波長(zhǎng)差，有

測(cè)量時(shí)所用的干涉條紋是中心附近的干涉條紋，可令i=0,則有第十三頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二

則波長(zhǎng)差的表達(dá)式可化為

用波數(shù)差表示為第十四頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二四、實(shí)驗(yàn)裝置

如圖，實(shí)驗(yàn)裝置由磁場(chǎng)、光源、分光系統(tǒng)和觀測(cè)系統(tǒng)等四大部分組成。第十五頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、調(diào)整光路，觀察塞曼現(xiàn)象

a、點(diǎn)亮汞燈，把透鏡置于光源和標(biāo)準(zhǔn)具之間適當(dāng)位置，讓光充滿(mǎn)標(biāo)準(zhǔn)具。由于標(biāo)準(zhǔn)具前已經(jīng)放置濾光片，可以看到標(biāo)準(zhǔn)具視場(chǎng)中布滿(mǎn)綠色的干涉條紋。b、調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具。眼睛在垂直于的平行面內(nèi)上、下、左、右移動(dòng)時(shí)，若看到干涉環(huán)有縮冒現(xiàn)象，應(yīng)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具的三個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕，直到無(wú)明顯縮冒現(xiàn)象為止。c、在標(biāo)準(zhǔn)具后安置透鏡和目鏡，調(diào)節(jié)兩者的相對(duì)位置以看清各干涉環(huán)。為保證視場(chǎng)足夠明亮，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)共軸。調(diào)節(jié)目鏡位置使目鏡叉絲大體與干涉環(huán)直徑重合。第十六頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二d、開(kāi)啟穩(wěn)壓電源，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源電流為一定值。如圖所示，取相鄰兩級(jí)次的線偏光進(jìn)行測(cè)量。第十七頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、測(cè)量并計(jì)算波長(zhǎng)差按公式計(jì)算塞曼分裂的波數(shù)差。3、測(cè)量并計(jì)算荷質(zhì)比第十八頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期二六、注意事項(xiàng)1.法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具等光學(xué)元件應(yīng)避免沾染灰塵、污垢和油脂，還應(yīng)該避免在潮濕、過(guò)冷、過(guò)熱和酸堿性蒸汽環(huán)境中存放和使用；2.光學(xué)零件的表面上如有灰塵可以用橡皮吹氣球吹去。如表面有污漬可以用脫脂、清潔棉花球蘸酒精、乙醚混合液輕輕擦拭；3.電磁鐵在完成實(shí)驗(yàn)后應(yīng)及時(shí)切斷電源，以避免長(zhǎng)