塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報告

近代物理實(shí)驗(yàn)報告塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)學(xué)院班級姓名學(xué)號時間2014年3月16日塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報告【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）546.1nm譜線（3S1→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546.1nm、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)，很多原子的光譜在磁場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)可以測量電子的荷質(zhì)比。在天體物理中，塞曼效應(yīng)可以用來測量天體的磁場。本實(shí)驗(yàn)采取Fabry-Perot（以下簡稱F-P）標(biāo)準(zhǔn)具觀察Hg的546.1nm譜線的塞曼效應(yīng)，同時利用塞滿效應(yīng)測量電子的荷質(zhì)比?！菊摹浚阂?、塞曼分裂譜線與原譜線關(guān)系1、磁矩在外磁場中受到的作用(1)原子總磁矩在外磁場中受到力矩的作用：其效果是磁矩繞磁場方向旋進(jìn)，也就是總角動量（PJ）繞磁場方向旋進(jìn)。(2)磁矩在外磁場中的磁能：由于或在磁場中的取向量子化，所以其在磁場方向分量也量子化：∴原子受磁場作用而旋進(jìn)引起的附加能量M為磁量子數(shù)g為朗道因子，表征原子總磁矩和總角動量的關(guān)系，g隨耦合類型不同（LS耦合和jj耦合）有兩種解法。在LS耦合下：其中：L為總軌道角動量量子數(shù)S為總自旋角動量量子數(shù)J為總角動量量子數(shù)M只能取J，J-1，J-2……-J（共2J+1）個值，即ΔE有(2J+1)個可能值。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2、塞曼分裂譜線與原譜線關(guān)系：(1)基本出發(fā)點(diǎn)：∴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：ΔM=0時為π成份（π型偏振）是振動方向平行于磁場的線偏振光，只有在垂直于磁場方向才能觀察到，平行于磁場方向觀察不到；但當(dāng)ΔJ=0時，M2=0到M1=0的躍遷被禁止。當(dāng)ΔM=±1時，為σ成份，σ型偏振垂直于磁場，觀察時為振動垂直于磁場的線偏振光。平行于磁場觀察時，其偏振性與磁場方向及觀察方向都有關(guān)：沿磁場正向觀察時（即磁場方向離開觀察者：U）ΔM=+1為右旋圓偏振光（σ+偏振）ΔM=-1為左旋圓偏振光（σ-偏振）也即，磁場指向觀察者時：⊙ΔM=+1為左旋圓偏振光ΔM=-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量是守恒的。原子在磁場方向角動量為：∴在磁場指向觀察者時：⊙當(dāng)ΔM=+1時，光子角動量為，與同向電磁波電矢量繞逆時針方向轉(zhuǎn)動，在光學(xué)上稱為左旋圓偏振光。ΔM=-1時，光子角動量為，與反向電磁波電矢量繞順時針方向轉(zhuǎn)動，在光學(xué)上稱為右旋圓偏振光。例：Hg5461?譜線，{6S7S}3S1→{6S6P}3P2能級躍遷產(chǎn)生分裂后，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：塞曼分裂的波長差很小由于以Hg5461?譜線為例當(dāng)處于B=1T的磁場中要觀察如此小的波長差，用一般的棱鏡攝譜儀是不可能的，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）。F—P標(biāo)準(zhǔn)具由平行放置的兩塊平面板組成的，在兩板相對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，干涉方程（干涉極大值）為標(biāo)準(zhǔn)具有兩個特征參量自由光譜范圍和分辨本領(lǐng)。自由光譜范圍的物理意義：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λ～λ+Δλ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范圍，兩套花紋之間就要發(fā)生重疊或錯級，給分析帶來困難，因此在使用標(biāo)準(zhǔn)具時，應(yīng)根據(jù)被研究對象的光譜波長范圍來確定間隔圈的厚度。分辨本領(lǐng)：（）：對于F—P標(biāo)準(zhǔn)具N為精細(xì)度，兩相鄰干涉級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）例如：d=5mm，R=90%，λ=546.1nm時Δλ=0.001nm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，可將電磁鐵極中的芯子抽出，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)動偏振片可以觀測成分的左旋和右旋圓偏振光。本實(shí)驗(yàn)室的WPZ—=2\*ROMANII/=2\*ROMANIIA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：實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^察塞曼效應(yīng)儀，理解理論學(xué)習(xí)內(nèi)容。掌握測量波長差的原理。測量荷質(zhì)比。實(shí)驗(yàn)內(nèi)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）546.1nm譜線（3S1→3P2躍遷）的塞曼分裂，用F—P標(biāo)準(zhǔn)具測量波長差及電子的荷質(zhì)比。將汞燈調(diào)節(jié)到磁場最強(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)的一個關(guān)鍵點(diǎn)也是一個難點(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，通過觀察這兩個清晰像的中心相同來調(diào)節(jié)共軸等高。觀察汞（Hg）546.1nm譜線在B=0與B≠0時的物理圖像。轉(zhuǎn)動偏振片，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)）測量與數(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)分析軟件測量出k、k-1和k-2級各干涉圓環(huán)的直徑，用特斯拉計(jì)測量汞燈處的磁場B。利用已知常數(shù)d（d=2mm）及公式計(jì)算出?v，再計(jì)算e/m。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：已知常數(shù)：汞燈波長546.1nm，標(biāo)準(zhǔn)具間距d=2mm，理論荷質(zhì)比e/m=1.75881962×1011C/kg。實(shí)驗(yàn)測得：加磁場時汞燈處B=1235mT，B=0時能級圖：B=1.235T時的能級圖：從圖中我們可以清楚的看到，在加磁場后，汞546.1nm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：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），與理論的1.7588的誤差為：。（誤差產(chǎn)生的原因有兩方面：1.軟件處理時畫圓定點(diǎn)不夠仔細(xì)，2.調(diào)節(jié)共軸等高時有一定誤差）同時，本實(shí)驗(yàn)由于時間等原因未能進(jìn)行多次測量。理論計(jì)算我們知道理論，因?yàn)?代入理論的荷質(zhì)比（e/m）與實(shí)際的磁場強(qiáng)度B，后得出，而實(shí)際，代入結(jié)果圖中的數(shù)據(jù)得，同時將公示簡單變形后能得出荷質(zhì)比，與軟件得出結(jié)果較為接近。誤差分析1）調(diào)節(jié)共軸等高的時候存在誤