塞曼效應(yīng)實驗說明

實驗簡介:塞曼效應(yīng)是物理學(xué)史上一個著名的實驗。荷蘭物理學(xué)家塞曼(Zeeman)在1896們對物質(zhì)光譜、原子、分子有更多了解。符號。根據(jù)洛侖茲(H.A.Lorentz)的電子論，測得光譜的波長，譜線的增寬及外J、JJ、JThomson)宣布電子發(fā)現(xiàn)之前幾個月，J、J塞曼效應(yīng)被譽為繼X射線之后物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。1902（以表彰他們研究磁場對光的效應(yīng)所作的特殊貢獻能級結(jié)構(gòu)的重要方法。本實驗通過觀察并拍攝Hg(546.1nm)譜線在磁場中的分裂情況，研究塞曼分裂譜的特征，學(xué)習(xí)應(yīng)用塞曼效應(yīng)測量電子的荷質(zhì)比和研究原子能級結(jié)構(gòu)的方法。實驗原理:一、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，也就是總角動量（P）繞磁場方向旋進。J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引起的附加能量M為磁量子數(shù)gjj）LS其中：LSJMJ，J-1，J-2-J（2J+1）個值，即ΔE(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：基本出發(fā)點：∴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成份型偏振）ΔJ=0=02M=01當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： ）ΔM=+1（σ+偏振）ΔM=-1（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}3S→{6S6P}3P能級躍遷產(chǎn)生1 2實驗儀器圖1:塞曼效應(yīng)實驗裝置圖2:F-P標準具3圖3:汞燈220V器上，由霓虹燈變壓器點燃就電管。自耦變壓器用來調(diào)節(jié)放電管的電流強度。30V/5A1T圖4:棱鏡攝譜儀頭部為暗箱，用來拍攝干涉花紋的譜片。也可以為望遠鏡，借助它觀察干涉花紋。圖5:毫特斯拉計圖6:濾波片透射干涉濾光片應(yīng)根據(jù)實驗中所觀察的波長選擇，實驗中通過濾光片得到Hg-546.1nm的譜線圖7:1/4波片給圓偏振光以附加的π/2/2。若把坐標軸取在波片上，y軸方向與波片慢軸重合。對右旋圓偏振光而言（即順時針旋轉(zhuǎn)的圓偏振光），y方向的位相超前π/21/4x（逆時針旋轉(zhuǎn)的圓偏振光yπ/2，1/4，yπ，圓偏振45°。圖8:[線]偏振片在垂直磁場方向觀察時用以鑒別π成分和σ成分；在沿磁場方向觀察時與1/4波片一起，用以鑒別左旋或右旋圓偏振光9:儀器中有數(shù)個透鏡，依照功能區(qū)分為聚焦鏡：使通過標準具的光強增加成像透鏡（組）：F—P分裂后，相鄰兩譜線的波數(shù)差實驗方法：觀察塞曼分裂的方法：塞曼分裂的波長差很小由于磁場中

以Hg5461?譜線為例當處于B=1T的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—珀羅標準器（F—P標準具）。F—P器為法布里—珀羅干涉儀。標準具在空氣中使用時，干涉方程（干涉極大值）為標準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：dλ～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使用標準具時，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標準具N為精細度，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%（當光近似于正入射時）例如：d=5mm，R=90%，λ=546.1nmΔλ=0.001nm實驗內(nèi)容Hg546.1nm裂，區(qū)分π，σ+，σ-譜線，并確定磁場方向。設(shè)計方案，選用合適的F—PB設(shè)計方案用塞曼分裂的波數(shù)差計算電子的荷質(zhì)比。討論塞曼效應(yīng)研究原子內(nèi)部能級結(jié)構(gòu)的方法和應(yīng)用。實驗指導(dǎo)討論（F—P）標準具問題理論上（F—P）標準具兩相對反射面距離處處相等，實驗中往往不相等。如何判斷兩反射問題是否處處相等？dd分析依據(jù)dθK，d↑時，K↑，d實驗中垂直于磁場方向觀察時要求區(qū)分塞曼分裂中π偏振成分和σ偏振成分。σ斯拉計測出磁場，與相應(yīng)的理論值比較。問題B，況。分析因為改變B可以觀察到干涉紋不同的重疊或錯級情況：F—P標準具自由光譜范圍： ，物理意義：若兩譜線波長差>自由光譜范圍生重疊或錯級。

（或 ），則兩套干涉環(huán)就要產(chǎn)當d確定后， 是個確定的值塞曼裂距：所以實驗中平行于磁場方向觀察要求區(qū)分σ+振與σ-偏振，并說明各自對應(yīng)的 或 的躍遷。了磁場方向與觀察方向的關(guān)系。問題為什么要強調(diào)磁場方向與觀察方向的關(guān)系？， 所對應(yīng)的圓偏振光類型與磁場方向關(guān)系。分析按角動量守恒原則，在輻射過程中原子和發(fā)射的光子作為整體，總的角動量是守恒的。原子在磁場方向角動量當 時，原子在磁場方向角動量減少 因此發(fā)射的光子必定在磁場正方向上有角動量 。當指向觀察者時，電矢量繞逆時針方向轉(zhuǎn)動，在光學(xué)上叫做左旋圓偏振光。同樣，沿著磁場方察到 對應(yīng)的σ偏振為右旋圓偏振光。同理， 時

平行于磁場觀察時，觀原子在磁場方向角動量增加 ，因此發(fā)射光子必定具有在磁場相反方向上的角動量。即：磁場指向觀察者時，這個電磁波電矢量是順時針方向的，即為右旋圓偏振光。驗學(xué)習(xí)。實驗重點掌握塞曼效應(yīng)的基本原理，塞曼分裂譜線的特征及其鑒別方法。掌握應(yīng)用塞曼分裂方法測量電子荷質(zhì)比。實驗難點塞曼分裂譜線的實驗方法，F(xiàn)-PF-P標準具至最佳工作狀態(tài)。在平行于磁場方向確定同一級干涉紋內(nèi)、外環(huán)各對應(yīng)△M=+1△M=-1遷及其圓偏性。在垂直于磁場方向，逐漸增大磁感應(yīng)強度B，觀察相鄰兩級干涉環(huán)的錯級和F-P的荷質(zhì)比。操作指導(dǎo)在系統(tǒng)主界面上選擇“塞曼效應(yīng)”并單擊，即可進入本仿真實驗平臺，顯示主實驗臺，如圖1。圖1二、主菜單在主實驗臺上單擊鼠標右鍵，彈出主菜單（圖2、3）：圖2 圖3移動鼠標到所要的實驗項目上單擊，就會進入相應(yīng)的實驗項目。實驗簡介。選擇“實驗簡介”項，會出現(xiàn)以下文本框（4），按鈕，回到主實驗臺。圖4實驗原理。（分裂情況。鼠標左鍵單擊“返回”按鈕，返回主實驗臺。圖5選擇“法布里—泊羅標準具原理”項，會出現(xiàn)下面的控制臺（圖6）。鼠標出現(xiàn)相應(yīng)的標準具原理圖。鼠標左鍵單擊“返回”按鈕，返回主實驗臺。圖6實驗內(nèi)容。退出。退出實驗平臺，返回系統(tǒng)主界面。三、垂直磁場方向觀察塞曼分裂在主菜單的“實驗內(nèi)容”里選擇“垂直磁場方向觀察塞曼分裂”，一（圖7）。鼠標在臺面上移動時，最下面的信息臺會出現(xiàn)提示。圖7鼠標右鍵在臺面上單擊，會出現(xiàn)下面的選項菜單（圖8）：

進入實驗臺圖8選擇“實驗步驟”項，會出現(xiàn)下面的文本框（9）單擊“返回”按鈕，回到實驗臺一。圖9（圖103．按照實驗光路圖，開始安排儀器位置（圖11動。在臺面上你認為正確的位置上，再次單擊鼠標左鍵，儀器進入放置狀態(tài)。注意：如果儀器位置不到臺面，或者超出臺面范圍，放置儀器時，儀器會回到初始位置。管電源。這時，臺面上會出現(xiàn)一條水平的光線。注意：如果儀器的相對位置不正確，開啟電源時，會出現(xiàn)錯誤提示，光線不會出現(xiàn)。不需要調(diào)節(jié)。狀態(tài)，會出現(xiàn)標準具調(diào)節(jié)控制臺（12）。圖12鼠標左鍵單擊不同方向的觀察按鈕，標準具中的分裂環(huán)會出現(xiàn)吞吐現(xiàn)象。題后，出現(xiàn)提示信息。鼠標右鍵單擊文本退出“調(diào)整指導(dǎo)”。調(diào)節(jié)標準具視框上的三個旋鈕。直到眼睛往不同方向移動時，標準具視框中的分裂環(huán)均不會出現(xiàn)吞吐現(xiàn)象。鼠標右鍵單擊旋鈕，旋鈕逆時針轉(zhuǎn)動，d鼠標左鍵單擊旋鈕，旋鈕順時針轉(zhuǎn)動，d由于實驗中的標準具難于調(diào)整，以致于影響后面的實驗進程，所以控制臺中平狀態(tài)。鼠標左鍵單擊“返回”按鈕，返回實驗臺一。4．調(diào)節(jié)完光路和標準具后，方可選擇實驗項目開始觀測。選擇“鑒別兩種偏振成分”，進入下面的控制臺（13）上移動時，最下面的信息臺會出現(xiàn)相應(yīng)的操作鍵和視窗信息。圖13按鈕退出。偏振片視窗上的紅線表示偏振片透振方向，鼠標左鍵單擊“偏振片透振方向的旋轉(zhuǎn)，望遠鏡視窗中的分裂線也會隨透振方向的改變而改變。鼠標左鍵單擊“返回”按鈕，返回實驗臺一。選擇“觀察塞曼裂距的變化”選項，進入下面的控制臺（14）控制臺上移動時，最下面的信息臺會出現(xiàn)相應(yīng)的操作鍵和視窗信息。圖14鼠標左鍵單擊“觀察指導(dǎo)”按鈕，會出現(xiàn)下面的文本框（15）鼠標左鍵單擊文本框上的“返回”按鈕，返回控制臺。圖15鼠標左鍵單擊（或按下不放）“電流調(diào)節(jié)旋鈕”，旋鈕順時針旋轉(zhuǎn)，安培表曼裂距發(fā)生變化。按照實驗指導(dǎo)中的要求，記錄相應(yīng)的電流數(shù)據(jù)。鼠標左鍵單擊“電流-磁場強度坐標圖”，出現(xiàn)下面的坐標圖（16）。鼠值。查完后，鼠標左鍵單擊“返回”按鈕，返回控制臺。圖165．實驗臺所有的實驗項目完成后，選擇“返回”項目，返回主實驗臺。四、垂直磁場方向觀察塞曼分裂在主實驗臺上選擇“平行于磁場方向觀察塞曼分裂”選項，進入實驗臺二（圖17）。鼠標在實驗臺上移動時，最下面的信息臺會出現(xiàn)相應(yīng)的儀器信息。圖17鼠標右鍵在實驗臺上單擊，會出現(xiàn)下面的實驗選項（圖18）。圖181．“仿照實驗臺一的操作方法，安排好儀器的位置，調(diào)節(jié)好光路和標準具。選擇“觀察圓偏振光”，進入下面的控制臺（圖19）時，最下面的信息臺會出現(xiàn)相應(yīng)的操作鍵和視窗信息。圖19鼠標左鍵單擊“觀察指導(dǎo)”按鈕，出現(xiàn)下面的文本框（圖20）鼠標左鍵單擊文本框上的“返回”按鈕，返回控制臺。圖20應(yīng)