实验3-5 塞曼效应.ppt

实验3 5塞曼效应南开大学基础物理实验教学中心近代物理实验室 一 背景知识 1896年 荷兰著名的实验物理学家塞曼 Zeeman 将光源置于强磁场中 研究磁场对谱线的影响 结果发现原来的一条光谱线 分裂成几条光谱线 分裂的谱线成份是偏振的 这一现象称为塞曼效应 由于发现了这个效应 塞曼在1902年获得诺贝尔物理学奖 这是当时实验物理学家的重要成就之一 它使人们对物质的光谱 原子和分子的结构有了更多的了解 通过塞曼效应实验 可由能级分裂的个数知道能级的值 由能级的裂距可以知道因子 如果原子遵从耦合 则可由值判断该能级的和值 二 实验原理 1 谱线在磁场中的分裂按量子理论 当光源处于磁场强度为的磁场中 能级要发生分裂 其附加能量当光源未受磁场作用时 设电子由能级跃迁到能级 产生频率为的谱线 当光源受磁场作用时 一般地两能级都要发生分裂 分别有的附加能量 分裂的上下能级分别表示为和 它们之间的跃迁产生频率为的新谱线 则有即在磁场作用下 谱线频率的变化为 相应的波数差为式中L为可知 给定磁场时 谱线的塞曼分裂由谱线对应的两个能级的磁量子数和朗德因子确定 本实验研究汞546 1的塞曼分裂 塞曼效应的选择定则是 M 0 M 1 谱线在磁场中的能级跃迁如图 3S1 3P2 B 0 B B M Mg 1 0 1 2 1 0 1 2 2 0 2 3 3 2 0 3 2 3 546 1nm 546 1nm 汞546 1nm线在磁场中分裂为9条新谱线 其中对应的线与原谱线相同 各相邻的分裂谱线波数差是L 2 当 M 0时 产生3条线 沿垂直磁场方向观测 线为振动方向平行于磁场的线偏振光 沿磁场方向观测不到线 当 M 1时 产生6条线 沿垂直磁场方向观测 线为振动方向垂直于磁场的线偏振光 沿磁场方向观测 线为圆偏振光 2 用标准具测量波数差本实验采用干涉滤光片和法布里 珀罗标准具完成分光任务 i i d f 当光程差等于波长的数倍时 形成干涉亮环 即对于级干涉环 满足经推导 波数差可表示为其中 此式就是实验中用以计算波数差的公式 二 实验装置 1 2 O L1 P F F P L2 M 1 磁场 2 激磁电源 O 汞灯 L1 L2 透镜 F P 标准具 M 读数显微镜 P 偏振片 F 滤光片 三 实验内容 1 调整光路 观察塞曼现象点亮汞灯 把透镜置于光源和标准具之间适当位置 让光充满标准具 这时用眼睛直接观看标准具 可以看到标准具视场中布满一系列干涉条纹 由于标准具前已经放置滤光片 故只看到汞546 1nm的绿色条纹 水银光谱的其它成分已被滤除 调节标准具 若标准具两反射面不平行 则眼睛在垂直于光轴的平行面内上下左右移动时 将会看到干涉环的缩冒现象 这时需调解标准具的三个调节旋钮 例如 若眼睛向左移动时环心收缩 表明标准具左边间距偏小 需放松左边旋钮 其余类推 反复调节三个旋钮直到眼睛上下左右移动都没有明显缩冒现象为止 这时标准具已调好 开启稳压电源 调节稳压电源电流为一定值 未加磁场时的一个干涉环在磁场中分裂成9条干涉环 其中3条为成分 6条为成分 由于在我们的实验条件下 相邻两级的成分相互干扰 我们只测量成分 取相邻两级次的成分进行测量 2 测量并计算波长差由可求出塞曼分裂的波数差 式中是同一干涉级相邻两干涉环直径平方差 即 3 测量并计算荷质比对于正常塞曼效应 分裂谱线的波数差为荷质比为 思考题 如何判断实验中所见的三条线是由六条线重迭而成的