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1、塞曼效应塞曼效应学号 姓名n n一、背景介绍n n二、实验目的n n三、实验原理n n四、实验仪器n n五、实验内容与步骤n n六、注意事项n n七、思考题一、背景介绍一、背景介绍 1896年开始，塞曼逐步发现，当光源放在足够强的磁场中时，所发出的光谱线分裂成若干条。条数随能级的类别而不同。而分裂后的谱线成份是偏振的。这种现象称为塞曼效应。塞曼研究磁场对光谱的作用，是受著名英国物理学家法拉第的启示。塞曼(Pieter Zeeman)18651943 诺贝尔物理学奖(1902年)1845年法拉第发现了平面偏振光通过在强磁场作用下的玻璃偏振面会旋转的事实。后来又发现，不只是玻璃，许多物质都具有这一
2、特性。法拉第认为：“磁力和光彼此是有联系的。”1875年，物理学家John kerr在法拉第思想的激励下，注意到玻璃片在强电场下对光有双折射作用，次年又发现平面偏振光经电磁铁的磁极反射后，变成了椭圆偏振光。18951895年前后，塞曼放下年前后，塞曼放下kellkell效应的研究，想试一效应的研究，想试一试磁场对钠焰的光谱有没有影响，却都没成功但他坚试磁场对钠焰的光谱有没有影响，却都没成功但他坚持作了下去。持作了下去。他根据法拉第的想法，用罗兰凹面光栅和强大的他根据法拉第的想法，用罗兰凹面光栅和强大的电磁铁，发现钠黄线在磁场的作用下变宽，后来又观电磁铁，发现钠黄线在磁场的作用下变宽，后来又观察
3、到镉兰线在磁场的作用下分裂成两根与三根；不久察到镉兰线在磁场的作用下分裂成两根与三根；不久洛仑兹根据经典电子论解释了分裂为三条的正常塞曼洛仑兹根据经典电子论解释了分裂为三条的正常塞曼效应。这一发现引起了很多物理学家开展广泛研究，效应。这一发现引起了很多物理学家开展广泛研究，然而，大多数情况却与经典电子论的理论结果不符，然而，大多数情况却与经典电子论的理论结果不符，这叫反常塞曼效应。促使这叫反常塞曼效应。促使19211921年朗德提出年朗德提出g g因子概念，因子概念，19251925年泡利提出不相容原理，同年乌伦贝克和哥德斯年泡利提出不相容原理，同年乌伦贝克和哥德斯密特提出电子自旋，从而推动量
4、子理论的发展。密特提出电子自旋，从而推动量子理论的发展。塞曼效应证实了原子具有磁距和空间量子化，至塞曼效应证实了原子具有磁距和空间量子化，至今仍是研究能级结构的重要方法之一。今仍是研究能级结构的重要方法之一。二、实验目的二、实验目的n1、观察汞的546.074nm谱线在磁场中分裂的情况，加深对原子结构的认识；n2、测量上述谱线在磁场中分裂的裂距，求出e/m值；n3、学习法布里珀罗标准具的原理、调节和使用。三、实验原理三、实验原理n n塞曼效应是由于电子的轨道磁矩与自旋磁矩共同塞曼效应是由于电子的轨道磁矩与自旋磁矩共同受外磁场的作用而产生的。受外磁场的作用而产生的。n n电子从高能级向低能级跃迁
5、时会发光。一定的光电子从高能级向低能级跃迁时会发光。一定的光谱线对应于一定的能级间的跃迁。例如汞的谱线对应于一定的能级间的跃迁。例如汞的546.074nm546.074nm谱线是谱线是6S7S6S7S S S到到6S6P6S6P P P2 2跃迁的结果。谱跃迁的结果。谱线在磁场中分裂这一事实，反映了能级在磁场中线在磁场中分裂这一事实，反映了能级在磁场中发生了分裂，也即原子在磁场中获得了附加能量。发生了分裂，也即原子在磁场中获得了附加能量。n n运用量子力学。可以对塞曼效应作出满意的解释。运用量子力学。可以对塞曼效应作出满意的解释。n n1 1原子的总磁矩原子的总磁矩n n原子中的电子在作自旋运
6、动的同时还作轨道运动。因此它具原子中的电子在作自旋运动的同时还作轨道运动。因此它具有自旋角动量有自旋角动量 和自旋磁矩和自旋磁矩 ,以及轨道角动量以及轨道角动量 和轨道磁和轨道磁矩矩 n n总磁矩总磁矩 则是则是 与与 的合成。由于的合成。由于 与与 的比值不同于的比值不同于 与与 的的比值比值,所以所以 不在总角动量不在总角动量 的延长线上。但是的延长线上。但是,和和 都是绕都是绕着着 旋进的旋进的,因此因此 、和和 也都是绕着也都是绕着 的延长线旋进的。如的延长线旋进的。如果把果把 分解成方向在分解成方向在 延长线的分量延长线的分量 和与之垂直的另外一和与之垂直的另外一个分量个分量,则后者
7、在绕则后者在绕 转动时转动时,对外的平均效果完全抵消。这对外的平均效果完全抵消。这样样,对外发生效果的只是对外发生效果的只是 。因此。因此,人们就将人们就将 称之为称之为“原子原子总磁矩总磁矩”。n n进行矢量迭加运算后得：进行矢量迭加运算后得：n n其中的其中的g g称为朗德因子。对于称为朗德因子。对于LSLS耦合耦合n n所以只要知道原子态性质所以只要知道原子态性质,就可以算出原子总磁矩就可以算出原子总磁矩;反之反之,从从对原子磁性的研究对原子磁性的研究,也可以提供有关原子态的线索。也可以提供有关原子态的线索。2 外磁场作用下原子能级的分裂原子具有总磁矩 ,处在外磁场中就要受到场的作用,其
8、效果是总磁矩绕磁场的方向作旋进,也就是总角动量 绕外磁场方向旋进。旋进引起的附加能量可以证明是代入 有：是的补角。但 与 在磁场中的取向是量子化的，在磁场方向的分量只能取如下数值：M是磁量子数，它只能取：M=J,J-1,。,-J+1,-J共2J+1个值。每一个M值相当于 的一个可能的取向。由以上两式得：式中的 称为玻尔磁子这样,没有外磁场时的一个能级,在外磁场作用下将分裂成2J+1个子能级。每个子能级的附加能量由上式决定,它正比于磁场强度B和朗德因子g。3.能级分裂下的跃迁 设某一谱线是由能级E2和E1间的跃迁产生的,则在该谱线的频率与能级差有如下关系:在外磁场的作用下,上、下两能级分别分裂为
9、2J2+1和2J1+1个子能级,附加能量分别为E2和E1。则由能级间的跃迁而产生的新谱线的频率 满足。与无磁场时的谱线相比，频率改变为用波数（）差 来表示，则有其中 称为洛仑兹单位。若B的单位用T（特斯拉）则L的单位为/cm跃迁时跃迁时跃迁时跃迁时MM的选择定则与谱线的偏振情况如下：的选择定则与谱线的偏振情况如下：的选择定则与谱线的偏振情况如下：的选择定则与谱线的偏振情况如下：选择定则：n n(当J0时，M被禁止),当 M=0时，产生的偏振光为成分。垂直于磁场观察时(横效应)，线偏振光的振动方向平行于磁场。平行于磁场观察时，成分不出现。n n当 M=1时，产生 线。沿垂直于磁场方向观察时(横效
10、应)，线为振动方向垂直于磁场的线振动光。沿磁场方向观察时，线为圆偏振光。4.汞的汞的546.074nm谱线的塞曼效应谱线的塞曼效应汞的546.074nm谱线是 到 跃迁的结果。上上能级分裂为三个子能级，下能级分裂为五个能级，选择定则允许的跃迁共有九种。因此，原来的 谱线将分裂成九条谱线。分裂后的九条谱线是等距的，间距都为二分之一的洛仑兹单位，九条谱线的光谱范围为4个洛仑兹单位。各线段的长度表示谱线的相对强度。用上面所述的方法，可以求出它的塞曼分裂。下图表示在外磁场作用下，和 能级的分裂。表表1 7 76 6L LS SJ Jg gMMMgMg0 01 11 12 2 1 0 -1 1 0 -1
11、 2 0 -2 2 0 -21 11 12 23/23/2 2 1 0 -1 -2 2 1 0 -1 -2 3 3/2 0 -3/2 -3 3 3/2 0 -3/2 -3表2MM2 21 10 0-1-1-2-2 2 0 -22 0 -2 3 3/2 0 -3/2 -3 3 3/2 0 -3/2 -3 及及偏振态偏振态 1/2 0 -1/2 1/2 0 -1/2（右边为（右边为 成分）成分）-2/2 -3/2 -4/2 4/2 3/2 2/2 -2/2 -3/2 -4/2 4/2 3/2 2/2 在外磁场作用下，和 能级的分裂各光线的偏振态各光线的偏振态n选择定则 KB（横向）KB（纵向）nM
12、=0 线偏振光成分 无光 振动方向平行磁场nM=1 线偏振光成分 右旋圆偏振光nM=1 线偏振光成分 左旋圆偏振光 振动方向垂直磁场四、实验仪器四、实验仪器法拉第效应-塞曼效应综合实验仪 1、电源说明：A、励磁电源电压、电流显示转换开关；B、励磁电源电压或电流显示（电压单位：伏特，电流单位：安培）；C、励磁电源电流调节旋钮（顺时针增大）；D、磁感应强度显示调零旋钮；E、磁感应强度显示（单位：特斯拉）；F、电源开关（控制励磁电源和磁感应强度测量）；G、励磁电源正常工作指示灯；H、励磁电源电压调节旋钮（顺时针增大）；I、励磁电源非正常工作指示灯（指示励磁电源过热）；J、磁感应强度测量校正旋钮（出厂
13、时已校正完成，勿轻易调节）；K、笔形汞灯电源开关（“按下去”为“接通电源”,此时汞灯发光）。2、汞光谱灯本实验中用作光源，产生汞的谱线。注意光谱灯同时产生较强紫外线。应避免直接观测光源。3、电磁铁磁场由电磁铁提供。调节激磁电源电流的大小可以获得不同强度的磁场。电流值由直流电流表读出。n n3 3、高斯计、高斯计系根据霍尔效应设计的一种测量磁场强系根据霍尔效应设计的一种测量磁场强度的仪器。使用前请仔细阅读说明书。特别要保护探度的仪器。使用前请仔细阅读说明书。特别要保护探头，因为霍尔片就在探头内，极易损坏。头，因为霍尔片就在探头内，极易损坏。n n4 4、偏振片、偏振片偏振片用于检出一定方向的线偏
14、振光。偏振片用于检出一定方向的线偏振光。n n5 5、F-PF-P标准具标准具塞曼分裂的波长差是很小的，这一塞曼分裂的波长差是很小的，这一点可以通过自己估计其数量级来加以理解。因此一般点可以通过自己估计其数量级来加以理解。因此一般的光谱仪是难以观察到其分裂现象的。的光谱仪是难以观察到其分裂现象的。F-PF-P标准具的分标准具的分辨率很高，而且构造简单。本实验用它来观察和测量辨率很高，而且构造简单。本实验用它来观察和测量谱线的分裂。谱线的分裂。F-P标准具(1)F-P标准具的原理及性能F-P标准具由两块平面平晶及中间的间隔圈组成。平晶内表面需经过精密加工,精度高于/20。内表面镀有高反射膜,反射
15、率高于90%。间隔距离可通过螺丝调节。以保证两内表面严格平行。设A,B两平面间的距离为d,空气折射率n1,则相邻两束透射光之间的光程差便是=2dcos，因此，产生干涉极大时应满足=2dcos=k式中k为整数,为入射角。(2)F-P标准具的调节调节标准具时,主要是要使两个内表面严格平行。将光源,透镜和标准具按规定放好。水平移动标准具找到干涉环,使其中心位于反射片的中心。左右移动眼睛观察。如果在移动过程中有冒环或吸环的现象,则说明两个内表面水平方向不平行。这时可以调节标准具下方的两个螺丝。冒环方向相应的间距大,因此应将这个方向的螺丝旋紧,或者把另一方向的螺丝放松。通过调节,应达到左右移动眼睛时,无
16、冒环或吸环现象。然后再竖直移动眼睛,如果眼睛上移时出现冒环,可以旋紧上方螺丝或同时放松下方的两个螺丝;反之,可以放松上方螺丝或同时放松下方的两个螺丝。依此,在水平和竖直两个方向反复多次调节,达到无论怎样移动眼睛,均不出现冒环和吸环现象。这时用望远镜观察就可看到细而锐的干涉环了。标准具测量波长差的公式：标准具测量波长差的公式：n式中D表示圆环的直径，f 为透镜的焦距，d为法-泊板间的距离。n由上式可见，公式左边第二项的负号表明直径愈大的干涉环纹序愈低。同理，对于同一级序的干涉环直径大的波长小。n对于同一波长相邻级项k和k-1圆环直径分别为Dk和Dk-1，其直径平方差用D2表示，可得 n D2=D
17、2K-1 D2K=4f2k由上可知D2是与干涉级项k无关的常数。对于同一级项不同波长、对于同一级项不同波长、b、c而言，相邻两个环的而言，相邻两个环的波长差波长差ab的关系上由式得：的关系上由式得：nab=a-b=d（D2b-D2a）/4f2knbc=b-c=d（D2c-D2b）/4f2kn由于F-P标准具中，大多数情况下，ncos=1 K=2d/n于是有：nab=a-b=2（D2b-D2a）/2d(D2K-1-D2K）nbc=b-c=2（D2b-D2c）/2d(D2K-1-D2K）用波数表示：用波数表示：测量并计算荷质比测量并计算荷质比n对于正常的塞曼效应,分裂谱线的波数差为五、实验内容与步
18、骤五、实验内容与步骤1、横向观察塞曼分裂（1 1）转动电磁铁，使之横向放置，调节测量台，使笔型汞）转动电磁铁，使之横向放置，调节测量台，使笔型汞）转动电磁铁，使之横向放置，调节测量台，使笔型汞）转动电磁铁，使之横向放置，调节测量台，使笔型汞灯竖直放置在磁隙正中，接通汞灯电源。在光学导轨上依次安灯竖直放置在磁隙正中，接通汞灯电源。在光学导轨上依次安灯竖直放置在磁隙正中，接通汞灯电源。在光学导轨上依次安灯竖直放置在磁隙正中，接通汞灯电源。在光学导轨上依次安放聚光透镜、滤光片、法布里放聚光透镜、滤光片、法布里放聚光透镜、滤光片、法布里放聚光透镜、滤光片、法布里-珀罗标准具、刻度盘、成像透珀罗标准具、
19、刻度盘、成像透珀罗标准具、刻度盘、成像透珀罗标准具、刻度盘、成像透镜、读数显微镜，调节平行、同轴；镜、读数显微镜，调节平行、同轴；镜、读数显微镜，调节平行、同轴；镜、读数显微镜，调节平行、同轴；（2 2）通过读数显微镜目镜观察同心环形）通过读数显微镜目镜观察同心环形）通过读数显微镜目镜观察同心环形）通过读数显微镜目镜观察同心环形干涉条纹，此时再调节法布里干涉条纹，此时再调节法布里干涉条纹，此时再调节法布里干涉条纹，此时再调节法布里-珀罗标准珀罗标准珀罗标准珀罗标准具下的仰角调节旋钮，使干涉环正好成具下的仰角调节旋钮，使干涉环正好成具下的仰角调节旋钮，使干涉环正好成具下的仰角调节旋钮，使干涉环正
20、好成像在目镜正中心，再调节法布里像在目镜正中心，再调节法布里像在目镜正中心，再调节法布里像在目镜正中心，再调节法布里-珀罗标珀罗标珀罗标珀罗标准具上的三个压脚螺丝，使标准具内两准具上的三个压脚螺丝，使标准具内两准具上的三个压脚螺丝，使标准具内两准具上的三个压脚螺丝，使标准具内两镜面严格平行，此时干涉圆环应均匀、镜面严格平行，此时干涉圆环应均匀、镜面严格平行，此时干涉圆环应均匀、镜面严格平行，此时干涉圆环应均匀、同心；同心；同心；同心；（3 3）加上滤光片，关掉实验室内的电源）加上滤光片，关掉实验室内的电源）加上滤光片，关掉实验室内的电源）加上滤光片，关掉实验室内的电源（以下实验在暗室内完成，具
21、体细节操（以下实验在暗室内完成，具体细节操（以下实验在暗室内完成，具体细节操（以下实验在暗室内完成，具体细节操作可以借助小电筒照明，但通光时间不作可以借助小电筒照明，但通光时间不作可以借助小电筒照明，但通光时间不作可以借助小电筒照明，但通光时间不易过长），此时可以在目镜视界内看到易过长），此时可以在目镜视界内看到易过长），此时可以在目镜视界内看到易过长），此时可以在目镜视界内看到锐细的汞光谱干涉条纹；锐细的汞光谱干涉条纹；锐细的汞光谱干涉条纹；锐细的汞光谱干涉条纹；（4 4）打开励磁电源，加上磁场，可以看）打开励磁电源，加上磁场，可以看）打开励磁电源，加上磁场，可以看）打开励磁电源，加上磁场，
22、可以看到锐细干涉圆环变粗，仔细调节读数到锐细干涉圆环变粗，仔细调节读数到锐细干涉圆环变粗，仔细调节读数到锐细干涉圆环变粗，仔细调节读数显微镜位置，并慢慢增加磁场，可以显微镜位置，并慢慢增加磁场，可以显微镜位置，并慢慢增加磁场，可以显微镜位置，并慢慢增加磁场，可以看到干涉圆环逐渐清晰，仔细观察可看到干涉圆环逐渐清晰，仔细观察可看到干涉圆环逐渐清晰，仔细观察可看到干涉圆环逐渐清晰，仔细观察可以看出变粗的条纹是由九条细线组成；以看出变粗的条纹是由九条细线组成；以看出变粗的条纹是由九条细线组成；以看出变粗的条纹是由九条细线组成；（5 5）加上偏振片，旋动调节旋钮，仔细）加上偏振片，旋动调节旋钮，仔细）
23、加上偏振片，旋动调节旋钮，仔细）加上偏振片，旋动调节旋钮，仔细观察干涉圆环的变化，调节至适当位观察干涉圆环的变化，调节至适当位观察干涉圆环的变化，调节至适当位观察干涉圆环的变化，调节至适当位置，可以发现先前的每个锐细环分裂置，可以发现先前的每个锐细环分裂置，可以发现先前的每个锐细环分裂置，可以发现先前的每个锐细环分裂成三个亮环，借助小电筒，通过读数成三个亮环，借助小电筒，通过读数成三个亮环，借助小电筒，通过读数成三个亮环，借助小电筒，通过读数显微镜上的鼓轮测量圆环的直径，求显微镜上的鼓轮测量圆环的直径，求显微镜上的鼓轮测量圆环的直径，求显微镜上的鼓轮测量圆环的直径，求出汞的塞曼分裂波数值，确定
24、分裂谱出汞的塞曼分裂波数值，确定分裂谱出汞的塞曼分裂波数值，确定分裂谱出汞的塞曼分裂波数值，确定分裂谱线的相应能级的量子数与因子，根据线的相应能级的量子数与因子，根据线的相应能级的量子数与因子，根据线的相应能级的量子数与因子，根据实验结果画出相应的能级跃迁图。实验结果画出相应的能级跃迁图。实验结果画出相应的能级跃迁图。实验结果画出相应的能级跃迁图。2测定 ，进而求出电子的荷质比e/m数据处理数据处理1、由公式 计算出同级的两个波数差，要求测一个级次两个波数差。n2、由公式 计算出电子的荷质比，并和理论值比较算出相对误差。其中是外加磁场强度。当给直流电磁铁加上一定的电流时，就有一定的磁场,实验可
25、以用毫特斯拉记测量。六、注意事项六、注意事项n n1.1.1.1.法布里法布里法布里法布里-珀罗标准具等光学元件应避免沾染灰尘、污垢和油脂，珀罗标准具等光学元件应避免沾染灰尘、污垢和油脂，珀罗标准具等光学元件应避免沾染灰尘、污垢和油脂，珀罗标准具等光学元件应避免沾染灰尘、污垢和油脂，还应该避免在潮湿、过冷、过热和酸碱性蒸汽环境中存放和使用；还应该避免在潮湿、过冷、过热和酸碱性蒸汽环境中存放和使用；还应该避免在潮湿、过冷、过热和酸碱性蒸汽环境中存放和使用；还应该避免在潮湿、过冷、过热和酸碱性蒸汽环境中存放和使用；n n2.2.2.2.光学零件的表面上如有灰尘可以用橡皮吹气球吹去。如表面光学零件的
26、表面上如有灰尘可以用橡皮吹气球吹去。如表面光学零件的表面上如有灰尘可以用橡皮吹气球吹去。如表面光学零件的表面上如有灰尘可以用橡皮吹气球吹去。如表面有污渍可以用脱脂、清洁棉花球蘸酒精、乙醚混合液轻轻擦拭；有污渍可以用脱脂、清洁棉花球蘸酒精、乙醚混合液轻轻擦拭；有污渍可以用脱脂、清洁棉花球蘸酒精、乙醚混合液轻轻擦拭；有污渍可以用脱脂、清洁棉花球蘸酒精、乙醚混合液轻轻擦拭；n n3.3.3.3.电磁铁在完成实验后应及时切断电源，以避免长时间工作使电磁铁在完成实验后应及时切断电源，以避免长时间工作使电磁铁在完成实验后应及时切断电源，以避免长时间工作使电磁铁在完成实验后应及时切断电源，以避免长时间工作使
27、线圈积聚热量过多而破坏稳定性；线圈积聚热量过多而破坏稳定性；线圈积聚热量过多而破坏稳定性；线圈积聚热量过多而破坏稳定性；n n4.4.4.4.汞灯放进磁隙中时，应该注意避免灯管接触磁头；汞灯放进磁隙中时，应该注意避免灯管接触磁头；汞灯放进磁隙中时，应该注意避免灯管接触磁头；汞灯放进磁隙中时，应该注意避免灯管接触磁头；七、思考题1.何谓正常塞曼效应？何谓反常塞曼效应？2实验光路中各个光学器件的作用是什么？3为何只测量横效应的成份，就能保证e/m的正确测量？4、如何调节聚光镜L1和成像透镜L2与光源共轴？L1在光具座上的位置对干涉圆环的亮度有无影响?如果有影响，那么L1应置何处？5、试对汞绿线(5461A)分裂后的9个干涉圆环标明对应谱线的名称(线或线)和g值。6、当汞绿线原来k级干涉条环分裂后的最外侧的一条干涉圆环与k-1级干涉圆环分裂后的最内侧一条干涉圆环重叠时，重叠在一起的这两个干涉圆环对应的谱线的波长差是多少？7、调节F-P标准具时，如眼沿某方向移动，观察到干涉条纹冒出是什么原因？8、如何确定使用的f-p标淮具的隔圈的厚度？参考资料参考资料1吴泳华、沙振舜近代物理学安徽教育出版社2 吴思诚、王祖栓 近代物理实验 北京大学 出版社3 杨福家 原子物理学 高等教育出版社4 王正行 近代物理学 北京大学出版社