7塞曼效应实验指导.doc

塞曼效应引言电磁场与光的相互作用一直是物理学家研究的重要课题。1845年法拉第 (Michael Faraday,1791-1867)发现了磁场能改变偏振光的偏振方向，即磁致旋光效应。1875年克尔(J.Kerr,1824-1907)发现各向同性的介质如玻璃等，在强电场作用下会表现出各向异性的光学性质，出现双折射现象，即电光效应。1896年荷兰塞曼（Pieter Zeeman，18651943）研究电磁场对光的影响，他把钠光源置于强磁场中，发现钠的谱线出现了加宽现象，即谱线发生了分裂，后称为正常塞曼效应。著名物理学家洛仑兹(Hendrik Antoon Lorentz,18531928)用经典电子论对这种现象进行了解释。他认为电子存在轨道磁矩，并且磁矩在空间的取向是量子化的，因此在磁场作用下能级发生分裂，谱线分裂成间隔相等的3条谱线。用正常塞曼效应测出电子荷质比，与1897年汤姆逊(Joseph John Thomson 1856-1940) 测量阴极射线的结果相同。由于塞曼效应的发现，塞曼和洛仑兹分享了1902年诺贝尔物理学奖。1897年英国普雷斯顿(Preston) ，美国的迈克耳孙(1897) ，德国的龙格（Runge，1902）和帕邢(Friedrich Paschen，1912) 都观察到光谱线有时分裂多于3条，称为反常塞曼效应。反常塞曼效应在很长时间里一直没能得到很好的解释。1921年，德国朗德（Land）发表论反常塞曼效应的论文，引进朗德因子g表示原子能级在磁场作用下的能量改变比值，这一因子只与能级的量子数有关。 1925年，荷兰乌仑贝克(G.E.Uhlenbeck,1900-1974)和古德斯米特(S.A.Goudsmit,1902-1978)提出了电子自旋假设，很好地解释了反常塞曼效应。塞曼效应证实了原子具有磁矩和空间取向量子化。根据光谱线分裂的数目可知总角动量量子数J ，根据光谱线分裂的间隔可以测量g 因子，近而确定原子总轨道角动量量子数L和总自旋量子数S的数值，因此，塞曼效应是研究原子结构的重要方法之一。另外由塞曼效应可分析物质的元素组成，在科研和生产中有重要应用。一、实验目的1. 理解塞曼效应原理和仪器的工作原理；2观察汞原子546.1nm谱线在磁场中分裂的情况；3用F-P标准具测量塞曼分裂线（分量）的波数差；4测量电子的荷质比。二、实验仪器 塞曼效应仪，F-P标准具，测微目镜，CCD，监视器三、实验原理1 原子磁矩塞曼效应是原子磁矩和外加磁场相互作用引起原子能级分裂进而产生光谱线分裂的现象。原子总磁矩包括电子磁矩和核磁矩，由于核磁矩比电子磁矩小三个数量级，因此只考虑电子磁矩。原子中电子既有轨道磁矩也有自旋磁矩。原子的总轨道角动量和总自旋角动量合成为原子的总角动量，原子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩（见图1）。总轨道磁矩与总轨道角动量的关系为： 总自旋磁矩与总自旋角动量的关系为： 因总磁矩与总角动量不共线，把分解为与平行的分量和垂直的分量，在总磁矩绕总角动量旋进时的平均为零，因此原子的有效磁矩是，它与的数值关系为 其中：J为总角动量量子数，L为总轨道角动量量子数，S为总自旋量子数， 为普克常数，m为电子质量，g为朗德因子，对于L-S耦合 JSLPJPLPS; 图1 原子磁矩与角动量的矢量模型 图2 J和pJ的进动2外磁场对原子能级的影响当原子处在外磁场中的时候，在力矩的作用下，原子总角动量和磁矩绕磁场方向进动（见图2）。原子在磁场中的附加能量E为： 角动量在磁场中的取向（投影）是量子化的，即： 其中，M为磁量子数。因此， 可见，附加能量不仅与外磁场B有关系，还与朗德因子g有关。磁量子数M共有2J+1个值，因此原子在外磁场中，原来的一个能级将分裂成2J+1个子能级。未加磁场时，能级E2和E1之间的跃迁产生的光谱线频率为： (1)外加磁场时，分裂后的谱线频率为： (2)分裂后的谱线与原来谱线的频率差为： (3)定义为洛伦兹单位（）。用波数差表示为： (4)根据上式可求出电子的荷质比 (5)3光谱线的分裂和选择定则能级之间的跃迁必须满足选择定则111，它由两能态波函数的对称性决定。磁量子数M的选择定则为M=M2-M1=0, 1；而且J=0，即当J2=J1时，M2=0 M1=0的跃迁是禁戒的。当M=0时，沿垂直于磁场方向观察时，产生线，线为光振动方向平行于磁场的线偏振光，沿平行于磁场方向观察时，光强度为零，不产生线（见图3）。当M=1时，垂直磁场观察时，产生线偏振光，其振动方向垂直于磁场，称为线。平行于磁场观察，产生圆偏振光，其转动方向取决于M的正负、磁场方向以及观察者相对于磁场的方向：迎着磁场方向观察时，线为圆偏振光，M=+1时为左旋圆偏振光，M=-1时为右旋圆偏振光。沿垂直于磁场方向观察时，线为线偏振光，其电矢量与磁场垂直（见图3）。-B 图3 线和线4汞绿线在外磁场中的分裂汞绿线（546.1nm）是汞原子的6s7s 3S1能级到6s6p 3P2能级跃迁产生的谱线。这两个能级的分裂情况及对应的量子数M和g见图4。上能级6s7s 3S1分裂为3个子能级，下能级6s6p 3P2分裂为5个能级。选择定则允许的跃迁共有9种，即，原来的546.1nm的谱线将分裂成9条谱线。分裂后的9条谱线等距，间距为L0/2，9条谱线的光谱范围是4L0 。M = -1 0 1- +M1 M1g11 31 3/20 0-1 -3/2-2 -3M2 M2g22 20 0-1 -2L2 S2 J2 g21 1 2 3/2 63P2L2 S2 J2 g20 1 1 2 73S1B0B=0 图4 汞绿线的塞曼效应在观察塞曼分裂时，一般光谱线最大的塞曼分裂仅有几个洛伦兹单位，塞曼效应分裂的波长差的数值是很小的，以Hg 546.1nm谱线为例，当B=1T时，欲观察如此小的波长差，普通棱镜摄谱仪是不能胜任的,必须使用高分辨本领的光谱仪器。因此，我们在实验中采用高分辨率仪器，即法布里一珀罗标准具(简称 F-P标准具)。5用F-P标准具测量塞曼分裂谱线的波数差diif 图5 FP标准具原理其中， f是物镜的焦距，n和d分别为间隔层的折射率和厚度，在实验中n=1，d=2mm。第K级干涉亮条纹的公式 (6)DkDk-1DbDaDaDb图6 分裂后成分示意图图7分裂后成分实拍图 (7) 其中Dk和Dk-1分别是无磁场时相邻两干涉亮环的直径，Da和Db分别是Dk分裂后的直径，而Da和Db是Dk-1分裂后的直径。四、实验仪器 1塞曼效应仪 塞曼效应实验装置是由永磁铁、F-P标准具（d=2mm）、干涉滤光片、会聚透镜、偏振片、测微目镜、导轨、笔型汞灯、CCD及监视器。N SF-P标准具滤光片偏振片L1测微目镜L2物镜 图图8 实验装置示意图2. FP标准具（1）FP标准具的结构F-P标准具由两块平面玻璃板中间夹有一个间隔圈组成。平面玻璃板内表面加工精度要求高于l30波长，内表面镀有高反射膜（90）。间隔圈用膨胀系数很小的石英材料加工成而成，其厚度为d，以保证两块平面玻璃板之间精确的平行度和稳定的间距。该装置是具有高分辨本领的多光束干涉光谱仪器，其干涉条纹为一组明暗相间，条纹清晰，细锐的同心圆环。 （2）原理及性能F-P标准具光路图见图9。当单色平行光束 S0以小角度入射到标准具的 M 平面时，入射光束S0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=2ndcosd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。 2dcos= K (12)K为整数，称为干涉序。由于标准具的间距是固定的，在波长不变的条件下，不同的干涉序K对应不同的入射角。在扩展光源照明下，FP标准具产生等倾干涉，故它的干涉条纹是一组同心圆环。 图9 标准具光路（3）法布里-珀罗标准具的调整 将标准具置于汞灯照明之下用眼睛观察即能看到一组同心园的干涉图象。 观察者眼睛从标准具镜片中心向三个微调螺丝方向移动，此时干涉图象不仅移动而且大小也发生变化，则说明标准具两个镜片还未严格平行，若干涉图象是向外冒出则该微调螺丝压力太小，应增加压力即微调螺丝顺时针方向旋；若干涉图象向内吞进说明该微调螺丝压力太小应减小压力即微调螺丝逆时针旋。按此方法反复调整压力直至干涉图象不动为止，则法布里-珀罗标准具已严格平行。五、实验内容1. 学习观测塞曼效应的实验方法；2. 研究汞原子的发射546.1nm谱线在磁场中分裂的情况；3. 测量塞曼分裂线(分量)的波数差；4. 测量电子荷质比。六、实验步骤 1、定性观察1) 使导轨成水平状态；2) 把笔型汞灯放在磁铁磁极外，点燃汞灯；3) 放置聚光透镜使它的照明光斑均匀；4) 放置法布里-珀罗(F-P)标准具，要求与干涉滤光片同轴，调整微调螺丝，使两镜片严格平行；5) 放置物镜调整高度与标准具镜片同轴；6) 放置测微目镜并调整高度与物镜同轴后，观察未加磁场时清晰的干涉图象（图10 (a)）。7) 将汞灯移入磁极间，从测微目镜中可观察到细锐的干涉环逐渐变粗，然后发生分裂，可看到清晰的塞曼分裂谱线9条（图10 (b)）。8) 在聚光镜片上装偏振片，旋转偏振片为不同位置时，可观察到偏振性质不同的分量和分量（图10 (c, d)）。图10 (a) 未加磁场的谱线 图10(b) 加磁场的塞曼分裂谱线图10(c) 塞曼分量 图10 (d) 塞曼分量2、定量测量1) 无磁场时，读出对应两干涉环两级间直径Dk和Dk-1;2) 加磁场后，转动偏振片使视场出现分裂，分别测量Da和Db 的直径、Da和Db的直径；3) 用（7）式求出塞曼分裂的波数差；4) 用（5）式求电子荷质比理论值e/m = 1.75881962 10C/kg注意事项：1不要折断汞灯及电线；2不要用手接触F-P标准具的表面！参考文献111褚圣麟，原子物理学，第5章洛仑兹，电子理论和光的传播诺贝尔奖和实验塞曼效应原子的交流塞曼效应，北京大学学报，1999年35卷1期任意方向塞曼效应的实验研究塞曼效应实验方法的研究，哈尔滨师范大学自然科学学报