近代物理實驗 塞曼效應

PAGEPAGE1深圳大學實驗報告課程名稱：大學近代物理實驗實驗名稱：塞曼效應學院：專業(yè)：班級：組號：指導教師：報告人：學號：實驗地點實驗時間：年月日星期實驗報告提交時間：一、實驗目的

1.提高物理想象能力，通過觀察汞綠光5461埃譜線的橫效應，想象塞曼效應原理及其應用；

2.掌握法布里-珀珞標準具的原理、調(diào)整及用途和基本測量方法；用讀數(shù)顯微鏡初步測量參數(shù)；

3.用軟件系統(tǒng)測定荷質(zhì)比e/m；對兩種方法測量結(jié)果進行比對分析，提高復雜數(shù)據(jù)分析處理能力。二、實驗原理：塞曼效應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”。在后來進一步研究發(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，更為復雜，稱為反常塞曼效應。塞曼效應是繼1845年法拉第效應和1875年克爾效應之后發(fā)現(xiàn)的第三個磁場對光有影響的實驗現(xiàn)象。塞曼效應充分說明了原子磁矩的空間量子化，也即角動量量子化，為研究原子結(jié)構(gòu)提供了重要途徑，被認為是19世紀末20世紀初物理學最重要的發(fā)現(xiàn)之一。在研究原子機構(gòu)時利用塞曼效應可以測量電子的荷質(zhì)比，在天體物理中，塞曼效應還可以用來測量天體的磁場。根據(jù)原子理論，原子中的電子既作軌道運動又作自旋運動。原子的總軌道磁矩μL與總軌道角動量pL的關系為：（1）其中（2）原子的總自旋磁矩μS與總自旋角動量PS的關系為：（3）其中（4）上式（1）、（2）、（3）和（4）中：m為電子質(zhì)量，L為軌道角動量量子數(shù)，S為自旋量子數(shù)，?為普朗克常數(shù)除以2π。而對于原子的總磁矩μJ，其大小由下式確定：（5）其中（6）其中，J為總角動量量子數(shù)，g為朗德因子。本次實驗研究的汞原子的角動量耦合方式主要是LS耦合，存在（7）原子在磁場中的附加能量ΔE為：（8）其中，β為pJ與B的夾角。角動量在磁場中取向是量子化的，即：（9）其中，M為磁量子數(shù)。因此，（10）可見，附加能量不僅與外磁場B有關系，還與朗德因子g有關。磁量子數(shù)M共有2J+1個值，因此原子在外磁場中，原來的一個能級將分裂成2J+1個子能級。未加磁場時，能級E2和E1之間的躍遷產(chǎn)生的光譜線頻率ν為：（11）外加磁場時，分裂后的譜線頻率ν’為：(12)分裂后的譜線與原來譜線的頻率差Δν’為：能級之間的躍遷必須滿足選擇定則，。 當ΔM=0時，產(chǎn)生π線，沿垂直于磁場方向觀察時，π線為光振動方向平行于磁場的線偏振光，沿平行于磁場方向觀察時，光強度為零，觀察不到。 當ΔM=±1時，產(chǎn)生σ線，迎著磁場方向觀察時，σ線為圓偏振光，ΔM=+1時為左旋圓偏振光，ΔM=-1時為右旋圓偏振光。沿垂直于磁場方向觀察時，σ線為線偏振光，其電矢量與磁場垂直。根據(jù)上述的分裂規(guī)則，汞4358的在磁場中的理論分裂圖如下所示：110g=2-110g=3/2-1σσππσσ435.8nm圖圖SEQ圖\*ARABIC1汞4358的在磁場中的理論分裂圖實驗裝置：三、實驗裝置實驗裝置圖如下圖2所示圖SEQ圖\*ARABIC2實驗裝置示意圖一個洛倫茲單位對應的波長差為（14）其中（15）當時，。因此，拍攝光譜時需要色散大的光譜儀。四、實驗內(nèi)容和步驟：.（1）調(diào)整外光路，使得汞放電管發(fā)出的光輻射經(jīng)過透鏡和反射鏡在攝譜儀入射狹縫上成像。（2）加磁場后，用偏振片在攝譜儀面上觀察汞譜線分裂后各分支譜線的偏振特性。（3）分別拍攝無磁場和加上磁場后汞放電管的光譜，以記錄譜線在磁場中的分裂情況。加磁場后，在入射狹縫錢放置偏振片P拍攝一組，去掉偏振片再拍攝一組，以記錄光譜線的偏振特性。拍攝鐵光譜，以作為測量譜線的標準譜。攝取鐵光譜時，移去反射鏡；還要根據(jù)所攝波段，在入射狹縫前加上適當?shù)臑V光片，以消除二級光譜以外的干擾譜線。（4）拍攝結(jié)束后取出，測量此時的磁場大小。（5）使用阿貝比長儀精確測量各分支譜線的波長。（6）處理分析實驗數(shù)據(jù)。四、數(shù)據(jù)記錄圖三、譜線分裂實驗中記錄得到的數(shù)據(jù)1、由公式r1=243r2=367r4=435r4=561得=2.02理論值1.76誤差14.7%2、在I=4.35AB=1.25T條件下第K級直徑=128，=150，=170第K-1級直徑=258，=270，=282第K-2級直徑=342，=350，=360計算值=1.915誤差8%五、實驗總結(jié)1、實驗中出現(xiàn)誤差較大的情況可能與調(diào)節(jié)光路上不夠理想使得在計算機上進行選圓出現(xiàn)較大差異。2、實驗中，當偏振片的偏振方向與磁場平行時（振動方向與磁場平行的光才能通過偏振片），每級譜線會分裂成三條。當偏振片偏振方向調(diào)整到與磁場垂直時（磁場垂直的光能通過偏振片），每級譜線會分裂成六條。3、塞曼效應的實際用途