近代物理實(shí)驗(yàn) 塞曼效應(yīng)

PAGEPAGE1深圳大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱：塞曼效應(yīng)學(xué)院：專業(yè)：班級(jí)：組號(hào)：指導(dǎo)教師：報(bào)告人：學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間：年月日星期實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交時(shí)間：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.提高物理想象能力，通過(guò)觀察汞綠光5461埃譜線的橫效應(yīng)，想象塞曼效應(yīng)原理及其應(yīng)用；

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

3.用軟件系統(tǒng)測(cè)定荷質(zhì)比e/m；對(duì)兩種方法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，提高復(fù)雜數(shù)據(jù)分析處理能力。二、實(shí)驗(yàn)原理：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(lái)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，很多原子的光譜在磁場(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)是繼1845年法拉第效應(yīng)和1875年克爾效應(yīng)之后發(fā)現(xiàn)的第三個(gè)磁場(chǎng)對(duì)光有影響的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。塞曼效應(yīng)充分說(shuō)明了原子磁矩的空間量子化，也即角動(dòng)量量子化，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。在研究原子機(jī)構(gòu)時(shí)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)還可以用來(lái)測(cè)量天體的磁場(chǎng)。根據(jù)原子理論，原子中的電子既作軌道運(yùn)動(dòng)又作自旋運(yùn)動(dòng)。原子的總軌道磁矩μL與總軌道角動(dòng)量pL的關(guān)系為：（1）其中（2）原子的總自旋磁矩μS與總自旋角動(dòng)量PS的關(guān)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(dòng)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(duì)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(dòng)量量子數(shù)，g為朗德因子。本次實(shí)驗(yàn)研究的汞原子的角動(dòng)量耦合方式主要是LS耦合，存在（7）原子在磁場(chǎng)中的附加能量ΔE為：（8）其中，β為pJ與B的夾角。角動(dòng)量在磁場(chǎng)中取向是量子化的，即：（9）其中，M為磁量子數(shù)。因此，（10）可見(jiàn)，附加能量不僅與外磁場(chǎng)B有關(guān)系，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，原來(lái)的一個(gè)能級(jí)將分裂成2J+1個(gè)子能級(jí)。未加磁場(chǎng)時(shí)，能級(jí)E2和E1之間的躍遷產(chǎn)生的光譜線頻率ν為：（11）外加磁場(chǎng)時(shí)，分裂后的譜線頻率ν’為：(12)分裂后的譜線與原來(lái)譜線的頻率差Δν’為：能級(jí)之間的躍遷必須滿足選擇定則，。 當(dāng)ΔM=0時(shí)，產(chǎn)生π線，沿垂直于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)，π線為光振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)的線偏振光，沿平行于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)，光強(qiáng)度為零，觀察不到。 當(dāng)ΔM=±1時(shí)，產(chǎn)生σ線，迎著磁場(chǎng)方向觀察時(shí)，σ線為圓偏振光，ΔM=+1時(shí)為左旋圓偏振光，ΔM=-1時(shí)為右旋圓偏振光。沿垂直于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)，σ線為線偏振光，其電矢量與磁場(chǎng)垂直。根據(jù)上述的分裂規(guī)則，汞4358的在磁場(chǎng)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(chǎng)中的理論分裂圖實(shí)驗(yàn)裝置：三、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置圖如下圖2所示圖SEQ圖\*ARABIC2實(shí)驗(yàn)裝置示意圖一個(gè)洛倫茲單位對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)差為（14）其中（15）當(dāng)時(shí)，。因此，拍攝光譜時(shí)需要色散大的光譜儀。四、實(shí)驗(yàn)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(guò)透鏡和反射鏡在攝譜儀入射狹縫上成像。（2）加磁場(chǎng)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(wú)磁場(chǎng)和加上磁場(chǎng)后汞放電管的光譜，以記錄譜線在磁場(chǎng)中的分裂情況。加磁場(chǎng)后，在入射狹縫錢(qián)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(cè)量譜線的標(biāo)準(zhǔn)譜。攝取鐵光譜時(shí)，移去反射鏡；還要根據(jù)所攝波段，在入射狹縫前加上適當(dāng)?shù)臑V光片，以消除二級(jí)光譜以外的干擾譜線。（4）拍攝結(jié)束后取出，測(cè)量此時(shí)的磁場(chǎng)大小。（5）使用阿貝比長(zhǎng)儀精確測(cè)量各分支譜線的波長(zhǎng)。（6）處理分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。四、數(shù)據(jù)記錄圖三、譜線分裂實(shí)驗(yàn)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(jí)直徑=128，=150，=170第K-1級(jí)直徑=258，=270，=282第K-2級(jí)直徑=342，=350，=360計(jì)算值=1.915誤差8%五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1、實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)上進(jìn)行選圓出現(xiàn)較大差異。2、實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)偏振片的偏振方向與磁場(chǎng)平行時(shí)（振動(dòng)方向與磁場(chǎng)平行的光才能通過(guò)偏振片），每級(jí)譜線會(huì)分裂成三條。當(dāng)偏振片偏振方向調(diào)整到與磁場(chǎng)垂直時(shí)（磁場(chǎng)垂直的光能通過(guò)偏振片），每級(jí)譜線會(huì)分裂成六條。3、塞曼效應(yīng)的實(shí)際用途