1、塞曼效应实验及其拓展于遥 0519044 物理摘要：本文简要概括了塞曼效应的历史意义、实验的目的、原理、步骤、注意事项以及不同磁场方向下现象的记录分析和数据处理等；同时介绍 F-P 标准具在塞曼效应实验中的用法关键字：塞曼效应；F-P 标准具；磁场方向引言：塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。荷兰物理学家塞曼在 1896 年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体使光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。 塞曼效应是继法拉第磁致旋光效应之后发现的又一个磁光效应。这个现象的发现是对光的电磁理论的有力支持，证实了原子具有磁矩和空间取向量子化，使人们对
2、物质光谱、原子、分子结构有更多了解，特别是由于及时得到洛仑兹的理论解释，更受到人们的重视，被誉为继 X 射线之后物理学最重要的发现之一。1902 年，塞曼与洛仑兹因发现塞曼效应而共同获得了诺贝尔物理学奖（以表彰他们研究磁场对光的效应所作的特殊贡献） 。理论和实验部分：实验目的：1 了解塞曼效应在研究原子内部结构方面的应用以及 F-P 标准具的使用 2 观测低压汞灯在磁场中塞曼分裂谱线,并测定它们的裂距和偏振态; 3 从谱线的塞曼裂距确定原子能级的 J 值及相应的 g 值，若原子遵从 LS 藕和，则可由 g值确定该能级的 L 和 S 值。4 分析明确塞曼分裂谱线的具体性质实验原理：1 塞曼效应中
3、的能级分裂：当原子放在外磁场中时，原子的总磁矩 将绕外磁场 B 的J方向作旋进，使原子获得了附加的能量，称为取向势能，同时空间有了一个从优方向，即外磁场方向。则原子的附加能量为（其中 Mj 可取 J 到-J 共 2J+1 个值）所以原来的能级将分裂为（2J+1）个能级，此时能级间的跃迁情况为：在外磁场作用下，上下两能级分裂为（2J 1+1）个和（2J 2+1）个子能级，附加能量分别为 1、 2 ，从上能级各子能级到下能级各子能级的跃迁产生的光谱线频率 ,应满足下式:212(f)(i)JJh=E+ - E MBg因此，有磁场时的谱线与原谱线的频率差为： (f)(i) (f)(i)JJJJMBgL
4、其中 L=mceB4称为洛仑兹单位。 L=46.68B/m,的单位用 T2 选择定则对于多电子原子中的能级跃迁要符合如下的两个选择定则：（1） 21J=0,但 2J和 1不能同时为零。（2） JJM=0, . ， 2和 1JM， 2 分别为跃迁前后的总角动量量子数和磁量子数。当 J=0 ，为 成分，是振动方向平行于磁场的线偏振光，只在垂直于磁场的方向上才能观察到，平行于磁场的方向上观察不到。其谱线频率为 ()()ifiBJgh谱线的条数则与()iJM和()fJ的可能值的个数（2 ()iJ+1）和（2 ()fJ+1）有关，等于这两个数中较小的一个。但是，对于 =0 的跃迁，由于()iJM与()f
5、J不能同时为零，故是禁戒的。因此，沿磁场方向观察时，看不到 谱线。当 J= 1时 ，为 成分。垂直于磁场观察时为振动垂直于磁场的线偏振光，当 M=()()ifJ=+1 时，原子辐射后，它沿磁场方向的角动量减小 h，因此发射的光子具有沿磁场方向的角动量+h,以保持原字和光子的整个体系的角动量守恒。由于光子的电矢量是围绕磁场 B 作右手螺旋的圆偏振波，称为 偏振波，相应的谱线称为 谱线，其频率为 ()()fiBJJgMh 当 JM=()()ifJ=-1 时，原子辐射后，它沿磁场方向的角动量增加 h，因此发射的光子具有沿磁场方向的角动量-h,以保持原子和光子的整个体系的角动量守恒。由于光子的电矢量相
6、当于围绕磁场 B 作反右手螺旋的圆偏振波，称为 偏振波，相应的谱线称为谱线，其频率为 ()()fiBJJMgh 3 F-P 标准具法布里-珀罗干涉仪是一种应用广泛的高分辨率分光仪器。它的应用范围大，在长度计量中也被采用，成为长度基准传递的工具，因此又称为法布里珀卜罗标准具（简称 F-P 标准具） 。本实验中,采用改变气压实现 F-P 干涉仪的扫描. 当单色平行光束 So 以小角度 入射到标准具的 M 平面时，入射光束 So 经过 M1 表面及 M2表面多次反射和透射，形成一系列相互平行的反射光束，这些相邻光束之间有一定的光程差 ，而且有 =2nhcos h 为两平板之间的间距， n 为两平板之
7、间介质的折射率(标准具在空气中使用，n=l)，为光束入射角，这一系列互相平行并有一定光程差的光束在无穷远处须用透镜会聚在透镜的焦平面上发生干涉、光程差为波长整数倍时产生干涉极大值。2hcos=N 其中，N 为整数，称为干涉级数。由于标准具的间距 h 是固定的，在波长 A 不变的条件下，不同的干涉级数 N 对应不同的入射角 。在扩展光源照明下，F- P 标准具产生等倾干涉，它的干涉花纹是一组同心圆环。 标准具示意图自由光谱范围 F与能分辨的最小波长 的比值就是标准具能分辨的干涉亮条纹数（同级次）的最大值，因此，我们把它定义为标准具的精细度 F，1R实验步骤：1 了解实验装置2 开启汞灯，调节各光
8、学元件，使其中心与磁场中心位置等高。 （先不放置偏振片）3 自准法调节成像中心位置。4 小孔后用动态扫描观察，调节 F-P 标准具和平行度。5 加上光电倍增管，打开铜拴，用自准法调节成像中心位置。关闭观察窗口，把铜拴推入。打开计算机 Zeeman Lab 程序。填写实验设置信息。6 在的条件下，扫描记录曲线。7 在纵向磁场下，绘测汞 546.1nm 谱线的 Zeeman 分裂曲线；加上偏振片后，记录分析Zeeman 分裂的 成分和 成分8 在横向磁场下，绘测汞 546.1nm 谱线的 Zeeman 分裂曲线；加上偏振片后，记录分析Zeeman 分裂的 成分和 成分9 比较分析，从而进一步了解分
9、裂谱线成分的具体情况实验器材：低压汞光源、聚光透镜、偏振片、干涉滤光片、F-P 标准具、气压扫描装置、特斯拉计、电脑结果与讨论：1 调节各光学原件，使其中心与各磁场中心位置等高后，成像透镜平面处加上小孔，用手电照明后，从观察窗口可以看到反射回来的亮点不止一个，是因为各元件反射平面部完全平行所致。此时，选取最亮点进行自准调节。使之与发光孔重合即可。2 调节 F-P 标准具的平行度， 当气压增高时，空气的折射率会随之变大，导致光程差变 大，则条纹移动方向是镜面间距小的方向，调节此方向上 的旋钮（逆时针增大） 。最初在小孔处观察干涉条纹较细、 较清晰。逐渐调节，条纹移动，并变粗，直线性变差最后形 成
10、大片亮斑和暗区。移动眼睛观察（消除视察） ，条纹基 本不变位置，说明平行调好，可以开始测绘。3 B=0 时，由于本组仪器电流放大器在数值较大时出现了非线性失真，初始图汞峰过于圆钝，在减小增大倍数同时提高 U(b)增益后才得到比较好的图像峰数 峰横坐标 半高位置峰 1 0.679 0.645峰 2 1.895 0.713峰间距和半高宽 1.216 0.068细度=峰间距/半高宽 =18，精细度较低，估计是电流放大器的内部问题4 横向 B=1.1T 主峰宽 L1=1.209 峰间距 L2的平均值=（0.12*6+0.13*9）/15=0.126 标准具间隔 t=1.998mm所以故塞曼分裂间隔 V
11、= L2/L1*0.25 =26.08m-1 加上偏振片后，调节其角度，得到汞 546.1nm 谱线的 Zeeman 分裂 成分。旋转 /2 角度，得到对应的 成分曲线。5 核值比计算 由于 L=uB/h=eB/4 e 而 v=L/2c故 08.261.348BCMe kgc/107.而理论值 .750/ekgm误差 在允许的误差范围内。%6.19.817 纵向观察，无法观察到 谱线，原因是 谱线的偏振方向与磁场是平行的，在不加 1/4波片时，无论如何旋转偏振片，观察到的总是 6 条分谱线，可知 和 此时是圆偏振；在加入 1/4 波片后，随着旋转偏振片， 和 谱线明暗交替出现度数（度） 45
12、135 225 315谱线种类 由此可知此时的 和 谱线都为线偏振，其偏振方向和磁场垂直；由于是等倾干涉，故外环对应着较大的半径和较小的波长，为 对应的谱线；内环对应了 的谱线 小结：本实验中数据不能说是分精确，首先电流放大器出现了一定程度上的非线性失真，而电子系统测量，难免会有一定的本底噪声，即仪器误差，会影响测量精度。其次，B 的不确定度为 5%比较大，再者观察纵向磁场塞曼分裂谱线时候没用 F-P 标准具而仅仅目测各镜面在同一主光轴上，这在很大程度上造成了误差。另外若能用计算机直接找到峰值位置，则可进一步提高精确度。说明几个问题：1 外磁场需要为弱磁场的原因： 看图 由于原子的总磁矩不在总
13、角动量 J 的延长线上，L=（e /2m）L= BlgLhS=（e/m）S= 从式子中可见角动量和其对应的磁距并不sS对称相似。故只有当外磁场较弱时，L 和 S 绕 J 的旋进不受影响，原子的总磁矩中起实际作用的只是平行于 J 的分量，用 J表示这一分量，称为原子的有效磁矩，2 为什么沿磁场方向只能观察到 、 谱线，而在与磁场垂直的方向上能观察到 、 和 谱线入图： B 方向向右、 谱线为圆偏振，因为一束光的电矢量在波面内运动时，特点是瞬时值大小不变，方向以角速度 w 匀速旋转，电矢量的轨迹为圆，此即为圆偏振光，它可分解为)2cos(tAEyx总电矢量为 ytAxtyEx)2cos(s光迎面来
14、的时候 此时为右ttA)(co旋光，即电矢量顺时针旋转，此 时 超前 相位 ，光迎yxE2面来的时候 此时为左旋光，txtE)cs(s即电矢量逆时针旋转，此时 落后 相位 。再加入 1/4 波片后上式中 都被抵消，yx2圆偏振光就成为了线偏振光致谢：感谢每位老师对我耐心的指导，在我无法解决问题时不厌其烦地给我提供了帮助，不但让我的思维得到了扩展同时让我动手能力得到了锻炼；感谢白老师在塞曼效应实验中对我的指导帮助；同时感谢合作愉快的张宏伟同学，我们在讨论中都有了很大的收获。参考文献：1 杨福家. 原子物理学. 北京:高等教育出版社.20002 中国科技大学 物理实验 20033 清华大学 近代物理重大发现
