塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1、塞塞 曼曼 效效 應(yīng)應(yīng) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)四川大學(xué)物理系大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn)介紹P.Zeeman 1865-1943 荷蘭塞曼效應(yīng)是物理學(xué)史上一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)。荷蘭物理學(xué)家塞曼在1896年發(fā)現(xiàn)把產(chǎn)生光譜的光源置于足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)作用于發(fā)光體，使光譜發(fā)生變化，一條譜線即會(huì)分裂成幾條偏振化的譜線，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。 法拉第旋光效應(yīng)（1845年）和克爾效應(yīng)（1875年）的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)引起了眾多物理學(xué)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(cè)磁場(chǎng)對(duì)鈉黃光的作用,但因儀器精度欠佳未果。 M.Faraday 1791-1867 英國 塞曼在法拉第的信念的激勵(lì)下,經(jīng)過多次的

2、失敗,最后用當(dāng)時(shí)分辨本領(lǐng)最高的羅蘭凹面光柵和強(qiáng)大的電磁鐵,終于在1896年發(fā)現(xiàn)了鈉黃線在磁場(chǎng)中變寬的現(xiàn)象,后來又觀察到了鎘藍(lán)線在磁場(chǎng)中的分裂。塞曼在洛侖茲的指點(diǎn)和洛侖茲經(jīng)典電子論的指導(dǎo)下,解釋了正常塞曼效應(yīng)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(gè)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(yīng)不僅證實(shí)了洛侖茲電子論的準(zhǔn)確性,而且為湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子提供了證據(jù)。也證實(shí)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物理學(xué)獎(jiǎng)。 本實(shí)驗(yàn)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(chǎng)中的分裂，并測(cè)量分裂譜線的波數(shù)差 等物理量。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

3、、加深對(duì)原子磁矩及空間量子化等原子物理 學(xué)概念的理解 2、學(xué)習(xí)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具和CCD器件在光譜測(cè)量中的應(yīng)用 實(shí)驗(yàn)原理 塞曼效應(yīng)的產(chǎn)生是原子磁距與外加磁場(chǎng)作用的結(jié)果。根據(jù)原子物理理論，無外磁場(chǎng)時(shí)，原子某個(gè)能級(jí)的能量為E0；在外磁場(chǎng)作用下，這一原子能級(jí)的能量將增加或減少，分裂為2J+1層： BmeMgE2EEE0M為磁量子數(shù) ，只能取J，J-1，J-2 -J（共2J+1）個(gè)值 ；g為朗道因子，表征原子總磁矩和總角動(dòng)量的關(guān)系，g隨耦合類型不同（LS耦合和jj耦合）而不同。 附加能量E 不僅與外磁場(chǎng)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(gè)值，因此原子在外磁場(chǎng)中時(shí)原來的一個(gè)能級(jí)將分裂成

4、2J+1個(gè)子能級(jí)。 未加磁場(chǎng)時(shí)，能級(jí)E2和E1之間躍遷產(chǎn)生的光譜線頻率為 在磁場(chǎng)中，分裂后譜線頻率為分裂后的譜線與原譜線的頻率差 為12EEhvLgMgMmceBgMgM)(4)(11221122（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(gè)能級(jí)的躍遷都是可能的。1,012MMM131067. 44mBmceBL)()(1122EEEEvh當(dāng) , 時(shí)除外當(dāng) 時(shí)，產(chǎn)生 線，沿垂直于磁場(chǎng)的方向觀察時(shí)，得到光振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)的線偏振光。沿平行于磁場(chǎng)的方向觀察時(shí)，光強(qiáng)度為零，觀察不到。當(dāng) 時(shí)，產(chǎn)生 線，合稱 線。沿垂直于磁場(chǎng)的方向觀察時(shí)，得到的都是光振動(dòng)方向垂直于磁

5、場(chǎng)的線偏振光。當(dāng)光線的傳播方向平行于磁場(chǎng)方向時(shí) 線為一左旋圓偏振光， 線為一右旋圓偏振光。當(dāng)光線的傳播方向反平行于磁場(chǎng)方向時(shí)，觀察到的 和 線分別為左旋和右旋圓偏振光。12JJ 0012MM0M1M汞綠線是6s7s3s1能級(jí)到6s6p3P2能級(jí)躍遷產(chǎn)生的譜線，這兩個(gè)能級(jí)的分裂情況及對(duì)應(yīng)的量子數(shù)M和g表示見圖。 上能級(jí)6s7s3s1分裂為三個(gè)子能級(jí)，下能級(jí)分裂為五個(gè)能級(jí)，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(gè)洛侖茲單位。各線段的長度表示譜線的相對(duì)強(qiáng)度。75 100 7575 37.5 12.

6、512.5 37.5 75-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2M2g2-M1g1法布里珀羅干涉儀兩光束的光程差為：cos2nh產(chǎn)生亮條紋的條件為：mhcos2干涉光強(qiáng)分布公式2sin1120FIITF=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(qiáng)分布曲線Dm-1(2)Dm(2)Dm(1)SFRmmmmDDDD)()()()(222211222dSFR21d=5mm塞曼分裂光成分F-P干涉圖實(shí)驗(yàn)儀器 0筆型汞燈、聚光鏡、標(biāo)準(zhǔn)具濾色片、法珀標(biāo)準(zhǔn)具、偏振片、會(huì)聚透鏡、直讀式望遠(yuǎn)鏡、

7、CCD攝像頭、顯示器、9電磁鐵21350678NS94實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、光路調(diào)整：調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)共軸，使從顯微鏡中觀察時(shí)，至少有5個(gè)干涉圓環(huán)可以測(cè)量。各部件的位置以及具體的調(diào)節(jié)方法和技巧由同學(xué)自己設(shè)計(jì)。 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(chǎng)從無到有過程中，干涉圓環(huán)與磁場(chǎng)B的關(guān)系，并用偏振片確定成分和成分，記下觀察結(jié)果。 3、CCD測(cè)量：用CCD測(cè)量系統(tǒng)對(duì)汞546.1nm譜線分裂后的線成份進(jìn)行圖像的存儲(chǔ)和測(cè)量，并記下測(cè)量結(jié)果。 4、荷質(zhì)比計(jì)算：選用合適的F-P標(biāo)準(zhǔn)具和磁感應(yīng)強(qiáng)度，驗(yàn)證塞曼分裂的裂距，并計(jì)算電子的荷質(zhì)比e/m。數(shù)據(jù)處理 1、由公式 計(jì)算出電子的荷質(zhì)比，并和理論值比較算出相對(duì)誤差。其中是外加磁場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)給直流電磁鐵加上一定的電流時(shí)，就有一定的磁場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)可以用毫特斯拉記測(cè)量。 是當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)同級(jí)相鄰裂變環(huán)之間的波數(shù)差。 1111067. 4)2/1 (4TcmBvmce2、由公式 計(jì)算出同級(jí)的兩個(gè)波數(shù)差，要求測(cè)出兩個(gè)級(jí)次四個(gè)波數(shù)差。)/()(21(22122KKabbaDDDDdvvv)/()(21(22122KKbccbDDDDdvvv（11）實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、在暗室中操作，注意高壓安全。2、嚴(yán)禁