塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)資料報(bào)告材料

1、近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)學(xué)院班級(jí)姓名學(xué)號(hào)時(shí) 間2014 年3月16日塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告【摘要】：本實(shí)驗(yàn)通過塞曼效應(yīng)儀與一些觀察裝置觀察汞（Hg） 546.1 nm譜線（3Sn 3P2躍遷）的塞曼分裂，從理論上解釋、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而后給出橫效應(yīng)塞滿分裂線的波數(shù)增量，最后得出荷 質(zhì)比?！娟P(guān)鍵詞】：塞曼效應(yīng)、汞546.1 nm、橫效應(yīng)、塞滿分裂線、荷質(zhì)比【引言】：塞曼效應(yīng)是原子的光譜線在外磁場(chǎng)中出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象，是1896年由荷蘭物理學(xué)家塞曼發(fā)現(xiàn)的。首先他發(fā)現(xiàn)，原子光譜線在外磁場(chǎng)發(fā)生了分裂；隨后洛侖茲在理論上解釋了譜線分裂成 3 條的原因，這種現(xiàn)象稱為“塞曼效應(yīng)”。在后來進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，很多原

2、子的光譜在磁場(chǎng)中 的分裂情況有別于前面的分裂情況，更為復(fù)雜，稱為反常塞曼效應(yīng)。塞曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)物質(zhì)光譜、原子、分子有更多了解，塞曼效應(yīng)證實(shí)了原子磁矩的 空間量子化，為研究原子結(jié)構(gòu)提供了重要途徑，被認(rèn)為是 19 世紀(jì)末 20 世紀(jì)初物理學(xué)最重要的 發(fā)現(xiàn)之一。利用塞曼效應(yīng)可以測(cè)量電子的荷質(zhì)比。在天體物理中，塞曼效應(yīng)可以用來測(cè)量天體 的磁場(chǎng)。本實(shí)驗(yàn)采取 Fabry-Perot （以下簡稱F-P）標(biāo)準(zhǔn)具觀察 Hg的546.1 nm譜線的塞曼效 應(yīng)，同時(shí)利用塞滿效應(yīng)測(cè)量電子的荷質(zhì)比。【正文】：一、塞曼分裂譜線與原譜線關(guān)系1、磁矩在外磁場(chǎng)中受到的作用（1）原子總磁矩在外磁場(chǎng)中受到力矩的作用：其效果是

3、磁矩繞磁場(chǎng)方向旋進(jìn)，也就是總角動(dòng)量（Pj）繞磁場(chǎng)方向旋進(jìn)。（2）磁矩在外磁場(chǎng)中的磁能：由于或在磁場(chǎng)中的取向量子化，所以其在磁場(chǎng)方向分量也量子化：原子受磁場(chǎng)作用而旋進(jìn)引起的附加能量M為磁量子數(shù)g隨耦合類型不同（LS耦合和jj耦合）g為朗道因子，表征原子總磁矩和總角動(dòng)量的關(guān)系， 有兩種解法。在 LS耦合下：其中：L為總軌道角動(dòng)量量子數(shù)S為總自旋角動(dòng)量量子數(shù)J為總角動(dòng)量量子數(shù)M只能取J, J-1 , J-2-J （共2J+1）個(gè)值，即 E有（2J+1）個(gè)可能值。無外磁場(chǎng)時(shí)的一個(gè)能級(jí)，在外磁場(chǎng)作用下將分裂成（2J+1）個(gè)能級(jí)，其分裂的能級(jí)是等間隔的，且能級(jí)間隔2、塞曼分裂譜線與原譜線關(guān)系：（1）基本出

4、發(fā)點(diǎn):3 = 0戲hv越E計(jì)包hvl5角+Z網(wǎng)分裂后譜線與原譜線頻率差由于為方便起見，常表示為波數(shù)差定義為洛侖茲單位：3、譜線的偏振特征：塞曼躍遷的選擇定則為： M=0時(shí)為n成份（n型偏振）是振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)的線偏振光，只有在垂直于磁場(chǎng)方向才 能觀察到，平行于磁場(chǎng)方向觀察不到；但當(dāng)J=O時(shí)，M=O到M=O的躍遷被禁止。當(dāng)厶M=± 1時(shí)，為b成份，c型偏振垂直于磁場(chǎng)，觀察時(shí)為振動(dòng)垂直于磁場(chǎng)的線偏振光。 平行于磁場(chǎng)觀察時(shí)，其偏振性與磁場(chǎng)方向及觀察方向都有關(guān)： M= +1為右旋圓偏振光（b +偏振） M= -1為左旋圓偏振光（b -偏振）也即，磁場(chǎng)指向觀察者時(shí)：O M= +1為左旋圓偏振

5、光 M= -1為右旋圓偏振光分析的總思路和總原則：在輻射的過程中，原子和發(fā)出的光子作為整體的角動(dòng)量是守恒的。 原子在磁場(chǎng)方向角動(dòng)量為：在磁場(chǎng)指向觀察者時(shí)：O 當(dāng)厶M= +1時(shí)，光子角動(dòng)量為，與同向電磁波電矢量繞逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在光學(xué)上稱為左旋圓偏振光。 M= -1時(shí)，光子角動(dòng)量為，與反向電磁波電矢量繞順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在光學(xué)上稱為右旋圓偏振光。例：Hg 5461?譜線，6S7S3S 6S6P P能級(jí)躍遷產(chǎn)生 2L2L02LIfELT2>L11F1r1F1111B*0Mg2 0-23/20分裂后，相鄰兩譜線的波數(shù)差實(shí)驗(yàn)方法：觀察塞曼分裂的方法： 要觀察如此小的波長差，用一般的棱鏡攝譜儀是不可

6、能的，需要用高分辨率的儀器，如法布里 珀羅標(biāo)準(zhǔn)器（ F P 標(biāo)準(zhǔn)具）。FP標(biāo)準(zhǔn)具由平行放置的兩塊平面板組成的，在兩板相對(duì)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。 標(biāo)準(zhǔn)具在空氣中使用時(shí)，干涉方程（干涉極大值）為 標(biāo)準(zhǔn)具有兩個(gè)特征參量自由光譜圍和分辨本領(lǐng)。自由光譜圍的物理意義：表明在給定間隔圈原度為d的標(biāo)準(zhǔn)具中，若入射光的波長在入入+入間（或波數(shù)在間）所產(chǎn)生的干涉圓環(huán)不重疊，若被研究的譜線波長差大于自由光譜圍，兩套花紋之間就要發(fā)生重疊 或錯(cuò)級(jí)，給分析帶來困難

7、，因此在使用標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)，應(yīng)根據(jù)被研究對(duì)象的光譜波長圍來確定間隔 圈的厚度。分辨本領(lǐng)：（）：對(duì)于F P標(biāo)準(zhǔn)具N為精細(xì)度，兩相鄰干涉級(jí)間能夠分辨的最大條紋數(shù)R為反射率，R 一般在90%（當(dāng)光近似于正入射時(shí)）例如：d=5mm R=90% 入=546.1 nm 時(shí) 入=0.001 nm二、實(shí)驗(yàn)儀器與裝置 該實(shí)驗(yàn)可采用多種儀器與方法，一般常用的是在塞曼效應(yīng)儀上加以不同的觀察裝置。觀察 塞曼效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖如下所示：汞燈光由會(huì)聚透鏡成平行光，經(jīng)濾光片后546.1埃光入射到F P標(biāo)準(zhǔn)具上，由偏振片鑒別 成分和成分，再經(jīng)成像透鏡將干涉圖樣成像在攝譜儀膠片或望遠(yuǎn)鏡CCD光敏面處。觀察塞曼效應(yīng)時(shí)，可將電磁鐵極中的芯

8、子抽出，磁極轉(zhuǎn)90o,光從磁極中心痛過。將1/4波片置于偏振片前方，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片可以觀測(cè)成分的左旋和右旋圓偏振光。本實(shí)驗(yàn)室的WPZ II/IIA塞曼效應(yīng)儀，采用 CCD望遠(yuǎn)鏡觀察，計(jì)算機(jī)采集圖像并處理，整套儀器組成如下圖：1 一電磁鐵2 激勵(lì)電源3 透鏡7 CD望遠(yuǎn)儻8導(dǎo)軌9一電腦圖（3-5 ）4 偏振片5 干涉濾光片（中心波長5«Jnm）標(biāo)準(zhǔn)具（間距2皿）三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 觀察塞曼效應(yīng)儀，理解理論學(xué)習(xí)容。2. 掌握測(cè)量波長差的原理。3. 測(cè)量荷質(zhì)比。四、實(shí)驗(yàn)容與方法本實(shí)驗(yàn)通過塞曼效應(yīng)儀與一些觀察裝置觀察汞（Hg） 546.1 nm譜線（3S 3P2躍遷）的塞曼分裂，用FP標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)量波

9、長差及電子的荷質(zhì)比。1. 將汞燈調(diào)節(jié)到磁場(chǎng)最強(qiáng)處，按上圖調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)各光學(xué)部件同軸等高。注意：調(diào)節(jié)共軸等高是本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)也是一個(gè)難點(diǎn)，可以采用二次成像法來調(diào)節(jié)。二次成像法：利用凸透鏡能在較近與較遠(yuǎn)處成像，通過觀察這兩個(gè)清晰像的中心相同來調(diào)節(jié)共 軸等高。2. 觀察汞（Hg） 546.1 nm譜線在B=0與0時(shí)的物理圖像。轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片，檢查橫效應(yīng)和縱效應(yīng)下分裂的成分。（本實(shí)驗(yàn)主要研究橫效應(yīng)）3. 測(cè)量與數(shù)據(jù)處理：將橫效應(yīng)的成分觀察到的圖像保存成 jpg或bmp格式，用塞曼效應(yīng)分析軟件測(cè)量出k、k-1和k-2級(jí)各干涉圓環(huán)的直徑，用特斯拉計(jì)測(cè)量汞燈處的磁場(chǎng)B。利用已知常數(shù)d （ d=2mr）

10、i及公式計(jì)算出?v，再計(jì)算e/m。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論1. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：已知常數(shù)：汞燈波長 546.1 nm，標(biāo)準(zhǔn)具間距 d=2mm理論荷質(zhì)比 e/m=1.75881962 x 1011C/kg。實(shí)驗(yàn)測(cè)得：加磁場(chǎng)時(shí)汞燈處B=1235mTB=0時(shí)能級(jí)圖：B=1.235T時(shí)的能級(jí)圖:從圖中我們可以清楚的看到，在加磁場(chǎng)后，汞546.1 nm譜線明顯發(fā)生塞曼分裂，每一條譜線分裂成3條（有橫效應(yīng)的前提）。用塞曼效應(yīng)分析軟件處理后結(jié)果為：1.7588的誤差為：1.865 1.7588 100% 6.04%。（誤差產(chǎn)生的原因有兩方面：1.軟件處1.7588從圖中我們可以看出所得到的電子的荷質(zhì)比為1.865 （此處未加上數(shù)量級(jí)），與理論的理時(shí)畫圓定點(diǎn)不夠仔細(xì)，2.調(diào)節(jié)共軸等高時(shí)有一定誤差）同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)由于時(shí)間等原因未能進(jìn) 行多次測(cè)量。2. 理論計(jì)算我們知道理論46.7B（m 1T 1），因?yàn)閑BM2g2 M21，代入理4 mc論的荷質(zhì)比（e/m）與實(shí)際的磁場(chǎng)強(qiáng)度 B,后得出M2g2 M1g10.81，而實(shí)際D'( ) D：()D：1( ) Dk()代入結(jié)果圖中的數(shù)據(jù)得50，同時(shí)將公示簡單變形后能得出荷質(zhì)比e/m 1.884 1011，與軟件得出結(jié)果較為接近。3. 誤差分析1）調(diào)節(jié)共軸等高的時(shí)候存在