塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)概述

塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)概述第1頁(yè)/共23頁(yè)背景簡(jiǎn)介

塞曼效應(yīng)是物理學(xué)史上一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)。1896年荷蘭物理學(xué)家塞曼發(fā)現(xiàn)把產(chǎn)生光譜的光源置于足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中，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)。塞曼效應(yīng)是繼法拉第磁致旋光效應(yīng)之后發(fā)現(xiàn)的又一個(gè)磁光效應(yīng)。這個(gè)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是對(duì)光的電磁理論的有力支持，證實(shí)了原子具有磁矩和空間取向量子化，使人們對(duì)物質(zhì)光譜、原子、分子結(jié)構(gòu)有更多了解，特別是由于及時(shí)得到洛侖茲的理論解釋，更受到人們的重視，被譽(yù)為繼X射線之后物理學(xué)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(yīng)而共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)塞曼

PieterZeeman

第2頁(yè)/共23頁(yè)塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)儀器思考問(wèn)題實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理注意事項(xiàng)第3頁(yè)/共23頁(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.利用高分辨光譜儀（如法布里－玻羅標(biāo)準(zhǔn)具或大型光柵攝譜儀等分光設(shè)備）觀察和拍攝汞燈譜線5461埃的塞曼效應(yīng)，并測(cè)量它的波長(zhǎng)差；

2.利用光譜學(xué)的方法，測(cè)定電子的荷質(zhì)比。

第4頁(yè)/共23頁(yè)實(shí)驗(yàn)儀器圖1塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)1.磁鐵座2.電磁鐵3.筆型汞燈及架4.聚光鏡偏振片調(diào)節(jié)架5.干涉濾光片光欄架6.法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具7.攝譜物鏡8.攝譜裝置(或測(cè)量望遠(yuǎn)鏡)9.導(dǎo)軌123456788

9第5頁(yè)/共23頁(yè)實(shí)驗(yàn)原理圖2原子角動(dòng)量和磁矩矢量圖

1.電子的角動(dòng)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(dòng)量及自旋總角動(dòng)量的數(shù)值分別為：l,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(dòng)量

第6頁(yè)/共23頁(yè)原子的總角動(dòng)量為軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量的和,即其取值也是量子化的其中J為總角動(dòng)量量子數(shù)。相應(yīng)的原子的總磁矩為軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和第7頁(yè)/共23頁(yè)

電子的軌道磁矩和自旋磁矩與軌道磁矩和自旋磁矩的關(guān)系為：

ri-enLS

其中g(shù)為朗德因子，它表征原子總磁矩和總角動(dòng)量的關(guān)系，其值決定于軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量的耦合形式，在LS耦合下：

第8頁(yè)/共23頁(yè)

原子由于磁矩的存在，在磁場(chǎng)中就會(huì)受到磁場(chǎng)的力矩作用，原子的總磁矩在外磁場(chǎng)中受到的力矩為：

力矩使原子的總磁矩繞磁場(chǎng)方向旋進(jìn)，也就是總角動(dòng)量繞磁場(chǎng)方向旋進(jìn),旋進(jìn)會(huì)引起原子能級(jí)的附加能量為：其中，為玻爾磁子。2.原子力矩和在磁場(chǎng)中的能量移動(dòng)

第9頁(yè)/共23頁(yè)由于原子總角動(dòng)量在磁場(chǎng)中的取向是量子化的，即:M稱為磁量子數(shù)，只能取

共2J+1個(gè)值。代入上式有:其中稱為玻爾磁子。上式告訴我們，ΔE有(2J+1)個(gè)可能值，也就是說(shuō)無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)的一個(gè)能級(jí)，在外磁場(chǎng)作用下將分裂成（2J+1）個(gè)能級(jí)，其分裂的能級(jí)是等間隔的，且能級(jí)間隔為。第10頁(yè)/共23頁(yè)例：能級(jí)分裂為四條第11頁(yè)/共23頁(yè)設(shè)頻率為的光譜線是由原子的上能級(jí)E2躍遷到下能級(jí)E1所產(chǎn)生的，則此譜線的頻率滿足:

3.原子在磁場(chǎng)中的能級(jí)分裂因此，每個(gè)能級(jí)各分裂成個(gè)2J2＋1和2J1＋1個(gè)子能級(jí)。在外磁場(chǎng)中，上下能級(jí)都將獲得一個(gè)附加能量第12頁(yè)/共23頁(yè)這樣上下兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷將產(chǎn)生頻率為

的譜線,滿足：躍遷選擇定則:第13頁(yè)/共23頁(yè)

本實(shí)驗(yàn)的光源為汞放電管，研究Hg的5460埃譜線的賽曼分裂。Hg5461?譜線是{6S7S}3S1→{6S6P}3P2能級(jí)躍遷產(chǎn)生的。MMg120-1-22313/200-1-3/2-2-33S1

3P2

第14頁(yè)/共23頁(yè)4.

法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)量波長(zhǎng)差的方法

從F－P標(biāo)準(zhǔn)具中透射出來(lái)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，如圖有第15頁(yè)/共23頁(yè)對(duì)于不同波長(zhǎng)和的同次級(jí)k的干涉園環(huán)有對(duì)于相同波長(zhǎng)和的不同次級(jí)k和k－1級(jí)的干涉園環(huán)有第16頁(yè)/共23頁(yè)代入：汞燈綠光波長(zhǎng)：第17頁(yè)/共23頁(yè)5.F—P標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)量測(cè)電子荷質(zhì)比參考值：第18頁(yè)/共23頁(yè)1.調(diào)整光路，使光束通過(guò)各光學(xué)元件的中心，調(diào)節(jié)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的平行度，使能觀察到清晰的等傾干涉圓環(huán)。2.逐漸加大磁鐵電流，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(jié)果與理論相比較。3.用讀數(shù)顯微鏡選出4個(gè)級(jí)次的干涉環(huán)進(jìn)行圓環(huán)直徑的測(cè)量，通過(guò)公式計(jì)算出電子的荷質(zhì)比之值。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容第19頁(yè)/共23頁(yè)1.

自擬表格記錄干涉圓環(huán)直徑數(shù)據(jù)，及外加磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。2.算出電子荷質(zhì)比，作誤差分析。數(shù)據(jù)處理第20頁(yè)/共23頁(yè)注意事項(xiàng)

1．汞燈的電壓近萬(wàn)伏，工作時(shí)要注意安全。

2．必須逐漸使磁場(chǎng)降低到零時(shí)，才能切斷電磁電源，以防損壞電磁鐵。

3．注意保護(hù)磁極，不要使其端面受撞或劃痕。在磁極間裝、卸汞燈時(shí)，要使燈管與兩端面積保持1mm的距離。

4．所有光學(xué)的光學(xué)表面嚴(yán)禁用手觸摸。第21頁(yè)/共23頁(yè)思考問(wèn)題1.塞曼效應(yīng)分裂譜的裂距與磁場(chǎng)強(qiáng)度有什么關(guān)系？