塞曼效应
实验报告
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塞曼效应实验
19世纪伟大的物理学家法拉第研究电磁场对光的影响，发现了磁场能改变偏振光的偏振方向。1896年荷兰物理学家塞曼(Pieter Zeeman)根据法拉第的想法，探测磁场对谱线的影响，发现钠双线在磁场中的分裂。 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。由于研究这个效应，塞曼和洛仑兹共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。他们这一重要研究成就，有力地支持了光的电磁理论，使我们对物质的光谱、原子和分子的结构有了更多的了解。至今塞曼效应仍是研究能级结构的重要方法之一。 【实验目的】
1、 学习观察塞曼效应的方法;
2、 利用法布里,珀罗(Fabry,Perot)标准具观察汞灯谱线(绿色，波长 为546.1nm)在磁场中的塞曼分裂现象，测量谱线的分裂波数差。
【实验原理】
塞曼效应:在外磁场作用下，由于原子磁矩与磁场相互作用，使原子能级产生分裂。垂直于磁场观察时，产生线偏振光(线和线);平行于磁场观察时，产生圆偏振光,,
(左旋、右旋)。
、能级分裂原理: 1
原子某一能级的能量为，在外磁场的作用下，原子会获得附加能量 EB,E
, (*) ,EMg,BB
he其中为玻尔磁子,;为电子质量;为电子电荷; me,,BB4,m
JJJJ为磁量子数，,，,1，„„，,(共2，1个值); MM
JJ，1,LL，1，SS，1，，，，，，为朗德因子，, gg，，2JJ，1
J由(*)式中可以看出，由于共有(2，1)个值，所以原子的这个能级在外磁M
J场作用下将会分裂为(2，1)个能级，相邻两能级间隔为。因为g由量子态决g,BB
定，所以不同能级分裂的子能级间隔不同。
设频率为的谱线是由原子的上能级跃迁到下能级所产生的，则 ,Eh,,E,EE2121
,,,磁场中新谱线频率变为，则 h,,(E，,E),(E，,E)2211
(MgMg)eBEE,,,,212211,,,,频率差为,,,, ,h4,m
(MgMg)eB,~2211,,用波数差表示为,,，其中L为洛伦兹单(Mg,Mg)L22114,mc
Be位，L, 4,cm
2、线和线: ,,
1
跃迁时的选择定则:， M,1,M,M,M,021
当,0时，垂直于磁场方向观察时，产生的振动方向平行于磁场的线偏振光叫M,线;平行于磁场观察时线成分不出现。 ,
当,时，垂直于磁场方向观察时，产生的振动方向垂直于磁场的线偏振光叫M,1,线;平行于磁场观察时，产生圆偏振光，,，偏振转向是沿磁场方向前进的螺旋M，1
转动方向，磁场指向观察者时，为左旋圆偏振光;,，偏振转向是沿磁场方向倒M,1
退的螺旋转动方向，磁场指向观察者时，为右旋圆偏振光。
3、错序观察法:
1汞546.1nm谱线在磁场作用下分裂为9条子谱线，其裂距相等为。其中3条线，L,26条线。采用加大磁场的方法使某些分量错序，并且正好与相邻干涉序的另一些分量,
重叠(即错序观察法)，从而测得磁场强度。 B
4、计算磁感强度大小:
设9条子谱线等分色散范围时，磁场强度为，则有: B
9，L1,1~~~cm,(单位为)„„(,)，为F,P标准具的色散范围，, ,,,,,,RRR22d
Bee,，代入的数值，真空中光速的数值，以及前人测得的荷质比的数L,,c4,cmm
L,0.467B值，则„„(1)
9，0.467B~将(1)代入(,)，则有, ,,R2
~,,R,所以。若相邻两谱线条子谱线重叠，则在一个色散范围内只有Bx，，9,x9，0.2335
~,,RB,条子谱线，此时相应的磁场强度为。 ，，9,x，0.2335
e5、计算荷质比: m
Be111~,,因为各子谱线裂距为，所以波数差,,, ,LL24,cm22~c2，,,，4,e~则,, ，，,,8c，0.23359,x，2d，,mB
e注意:这种计算荷质比的方法并不科学，因为在计算磁场强度时，用到了，代Bm入了前人测得的荷质比数值;若要精确测得荷质比的数值，应用其他办法测出磁场强度(如霍尔效应)。
【实验仪器】
WPZ-?型塞曼效应仪，计算机。
【实验内容】
2
1、按图示布置将实验仪器放置在实验平台上。将笔形汞灯插入两线圈中间 的灯架中，其接线分别接入电磁铁前的接线柱上。
2、打开开关，点亮汞灯，调整透镜座、干涉滤光片和F-P标准具座，使它 们与光源同轴。
3、调节F-P标准具的镜片严格平行。
方法是:
粗调:通过标准具观察汞灯照明可见一组同心圆环。观察者的眼睛向着微 调螺丝的方向移动时，圆环也会移动，这说明标准具的镜片还没严格平行。这时仔细调节三颗微调螺丝直至眼睛移动时圆环不动。
精调:在实验时仍需进一步调整微调螺丝，直至在显示器上观察时图像最清晰为止。
4、CCD放到图示的位置上并让光线能完全进入CCD。 CCD的输出视频电缆接入电脑主机视频输入端，分别将电源插头插入电源插座。(CCD电源通过变压器接入DC12V)
5、运行电脑里的“塞曼效应只能分析软件”，并单击“预览按钮，仔细调节透镜、干涉滤光片、F-P标准具相互间的位置直至在屏幕上看到清晰的圆环。
6、打开磁场开关，逐渐加大电流至能看到分裂的九条谱线。
7、旋转偏振片将分别看到分量的3条谱线和分量的6条谱线。 ,,
8、利用智能分析软件可对谱线进行分析，具体使用方法见“附录“。
90:9、电磁铁架在电源上方;松开锁紧螺丝可使电磁铁旋转，抽出电磁铁中
,间插芯，可作纵向塞曼实验。此时在电磁铁插芯孔前加上波片，使圆偏振光变成线偏4
45:振光，旋转偏振片，使分裂的两条谱线中的一条消失，再反方向旋转偏振片使消失的一条谱线重现而另一条谱线消失了，这样可以证明分裂的两条谱线是左、右旋偏振光。
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