实验-塞曼效应.doc

实验三 塞曼效应实验目的：1观察汞5461埃光谱线的塞曼效应，并测量它分裂的波长差。 2测定电子的荷质比e/m值。实验原理：当光源置于外磁场中，光源发出的每一条光谱线都将分裂成几条波长相差很小的偏振化分谱线，这一现象称为塞曼效应。设原子某一能级的能量为E，在磁感应强度为B的外磁场的作用下，原子将获得附加的能量E：E=MgBM为磁量子。M=J,J-1,.,-J,共有(2J+1)个值。因此，原来的一个能级将分裂成(2J+1)个子能级。子能级的间隔相等，并正比于B和朗德因子g，对于L-S耦合的情况： g=1+ 式中为玻尔磁子，=。设频率为的光谱线是由原子的上能级E跃迁到下能级E所产生（h= E- E），在外磁场的作用下，上下两能级各获得附加能量E，E，因此，每个能级各分裂成（2J+1）个和（2J+1）个子能级。这样，上下两个子能级之间的跃迁，将发出频率为的谱线，并有h=（E+E）-（ E+E）= （E- E）+（E-E）= h+（Mg- Mg）B分裂后的谱线与原谱线的频率差将为=（Mg- Mg）B/hc=（Mg- Mg）L其中L=B/hc=4.67*10B(cm)L称为洛仑兹单位，正是正常塞曼效应所分裂的裂距。在能级跃迁时，磁量子数受到选择性定则和偏振定则所限制。1.选择性定则：M =M- M=0（当J=0 M=0 M=0 被禁止） M=12.偏振性定则：方向跃迁垂直横向塞曼效应平行纵向塞曼效应 M=0直线偏振，成分无光M=+1直线偏振，成分右旋圆偏振M=-1直线偏振，成分左旋圆偏振说明：1.为光传播方向矢量，为外磁场方向。2. 成分表示光波的电矢量平行于，成分表示垂直于.3.在光学中，如果光线对于观察者迎面而来，这时电矢量若按逆时针方向旋转，我们称之为左旋圆偏振光；若逆时针方向旋转，则称之为右旋圆偏振光。现以汞绿光546.1nm为例，来说明塞曼分裂。这条线是从能级跃迁到而产生的。1.表(一)下列出和能级的各项量子数L,S,J,M,g与Mg的数值。表一上能级下能级L01S11J12g23/2M10-1210-1-2mg10-133/20-3/2-32.裂距与偏振情况：，Mg Mg 2 0 -2 3 3/2 0 -3/2 -3裂距Mg- Mg偏振态2，3/2，1，1/2，0，-1/2，-1，-3/2，-2 裂距也可以简写成如下公式：=Mg- Mg=（洛仑兹单位）表中的跃迁计算式，表示为M=0跃迁产生成分，其裂距为0， 1/2；对和 跃迁为M=1，产生成分，其裂距为1，3/2，2。因此，在外磁场的作用下，在横向效应中能级分裂情况及分裂谱线相对强度可用图二表示。B=0 B0 M Mg 1 2-2 0 0 -1 -2Hg546.1nm2 31 3/20 0-1 -3/2-2 -3图二 能级分裂情况实验装置：1 J为光源，本实验用笔型汞灯作为光源。2 N,S为电磁铁的磁极，用配套稳流源供电。电流与磁场的关系可用高斯计进行测量。3 为会聚透镜，是通过标准具的光强增强。4 P为偏振片，在垂直于磁场方向观察用以鉴别成分和 成分；在沿着磁场方向观察时，结合1/4波片的使用，用以鉴别左旋或右旋圆偏振光。5 F-P为法布里-伯罗标准具。6 F为透射干涉滤光片，以放入标准具里。7 和分别为望远镜的物镜和目镜，在沿磁场方向观察时用它观察干涉图样。S横向塞曼效应 N纵向塞曼效应实验内容：1 参照使用说明书，调节好直读式塞曼效应实验仪。（1） 调节磁极间隙 15 毫米，使各光学元件与光源（汞灯）等高，共轴（注意纵向塞曼效应中光源高度）。（2） 调节标准具和望远镜的位置，使视场内照明均匀，并使干涉圆环清晰可见。（3） 标准具的调整。调节标准具的三个螺丝，使得产生的干涉圆环清晰明亮，并使得圆环与目镜划线间无视差（这步骤调节好后，不必再乱调）。2 横向塞曼分裂（1） 垂直磁场方向观察（横效应）。调节电流由零至1.5A ，观察塞曼分裂情况,这时，会看到原来的一条谱线将分裂为9条，然后，放上偏振片（横向观察时，不用1/4波片）调节慢轴方向0，45，90，将会发现，有时，一些谱线消失，有时，一些消失的谱线又将重新出现，即出现成分和成分。3 用特斯拉计测量磁感应强度值。4 干涉圆环直径测量和计算裂距及e/m。如以正常塞曼效应为例，所分裂的波数差正为一个洛仑兹单位，如用波长差表示将它代入测量波长差的公式中得5 观察纵向塞曼效应：抽去铁芯，将磁铁旋转90，用1/4波片及偏振片分析其偏振性质，将会发现，原来的一条谱线分裂为6条，结合1/4波片和1/2波片的使用，能观察到左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。注意事项：1 汞灯电压高，注意安全。2 实验结束后，必须将汞灯和电磁铁电流调至零时，才能关闭供电箱电源开关。3 必须小心保持磁极，不要使磁极端面受撞或划痕。4 磁铁有强磁性，手表不要靠近。5 因笔型汞灯发出强紫外线，不要用眼睛直接观察。6 使用特斯拉计测量磁感应强度时，注意不要损坏探头，使用后应盖笔帽儿。思考题1 在实验中，要沿磁场方向观察塞曼效应，应如何安排实验装置？观察到的干涉图样如何？2 如何调节法布里-伯罗标准具？补充知识1 F- P标准具的原理及性能：F- P标准具是由两块平面玻璃板中间夹有一个间隔圈组成。平面玻璃板的内表面加工精度要求高于l30波 长，内表面镀有高反射膜，膜的反射参高于90，间隔圈用膨胀系数很小的石英材料加工成一定的长度，用来保证两块平面玻璃板之间精确的平行度和稳定的间距。 F-P标准具的光路图见图4所示，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 M 表面及 M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l，而且有 l=2nhcosh为两平板之间的间距， n为两平板之间介质的折射率(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 (11) N为整数，称为干涉序。由于标准具的间距 h是固定的，在波长 A 不变的条件下，不同的干涉序 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园环。 2调节方法目观法：用单色面光源，经透镜变为平行光束，均匀照明标准具，可以看见一组同心干涉圆环，当眼睛上下移动时，如果标准具两个内表面严格平行，即各处的d值相同，花纹的大小不随眼睛移动而变化；若标准两个内表面成楔形，如果眼睛移动的方向是d增大的方向，则有干涉条纹从中心冒出来。这时，就把这个方向的螺丝压紧，或把相反方向的螺丝放松，经过这样细心调节后，可以达到花样不随眼睛的移动而变化。望远镜观察法：用单色面光源，经透镜变成平行光束，均匀照明标准具。用望远镜观察干涉条纹的清晰度时，通常应先调望远镜目镜，使能在视场中看清干涉条纹，使大部分清晰，然后根据干涉条纹不清晰的部位确定调节方向。应当指出：当标准具平行度相差很大时，无论怎样调整望远镜目镜，都可能在视场中看不到任何干涉条纹，只是模糊一片，这是最好将三个压紧螺丝都置于中间状态，再根据以上方法进行调节。在调节过程中，以逐个调节为宜（最好固定一个不动）。还应该注意，不要将任何一个螺丝压的太紧，以免损坏调节螺丝或玻璃板，每次调节幅度不要太大，要仔细耐心。由于标准具是多光束干涉，干涉花纹的宽度是非常细锐的，花纹越细锐表示义器的分辨能力越高，这里介绍两个描述仪器性能的特征常数。 (a)自由光谱区,R 或R(色散范围)； 图4：标准具光路 考虑两个具有微小波长差的单色光 1和 2入射到标准具上，若 2 1， 根据(11)式，对于同一干涉序 N，1和2的极大值对应不同的入射角 1和2，且12，产生两套园环花纹，即波长较长的成份在里圈，而较短的成份在外围。如果1和2之间的波长差逐渐加大，使得1的N序花纹与2 的 N- l序花纹重叠，有: N1=（N-1）2 则 2-1=2/ N (12)由于N是很大的数目，可用中心花纹的序数