塞曼效應實驗

1、塞曼效應實驗塞曼效應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 塞曼效應是物理學史上一個著名的實驗。1896年荷蘭物理學家塞曼發(fā)現(xiàn)把產(chǎn)生光譜的光源置于足夠強的磁場中，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。塞曼效應是繼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，使人們對物質光譜、原子、分子結構有更多了解，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，塞曼與洛侖茲因發(fā)現(xiàn)塞曼效應而共同獲得了諾貝爾物理學獎塞曼 P

2、ieter Zeeman 塞曼效應實驗塞曼效應實驗實驗目的實驗目的實驗儀器實驗儀器思考問題思考問題實驗原理實驗原理實驗內容實驗內容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理注意事項注意事項實驗目的實驗目的 1. 利用高分辨光譜儀（如法布里玻羅標準具或大型光柵攝譜儀等分光設備）觀察和拍攝汞燈譜線5461埃的塞曼效應，并測量它的波長差； 2. 利用光譜學的方法，測定電子的荷質比。 實驗儀器圖1 塞曼效應實驗儀結構1. 磁鐵座 2. 電磁鐵 3. 筆型汞燈及架 4. 聚光鏡偏振片調節(jié)架 5.干涉濾光片光欄架 6. 法布里-珀羅標準具 7. 攝譜物鏡 8. 攝譜裝置 (或測量望遠鏡) 9. 導軌 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系為： 2llePm ssePm ri-enLlS2jjegPm 111121()()(

4、)()J JL LS SgJ J 其中g為朗德因子，它表征原子總磁矩和總角動量的關系，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，也就是總角動量繞磁場方向旋進,旋進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準具測量波長差的方法標準具測量波長差的方法 從FP標準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標準具測量測電子荷質比標準具測量測電子荷質比參考值：1.調整光路，使光束通過各光學元件的中心，調節(jié)F-P標準具的平行度，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)進行圓環(huán)直徑的測量，通過公式計算出電子的荷質比 之值。實驗內容實驗內容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