塞曼效应.doc

。云南大学物理实验教学中心实验报告课程名称： 近代物理实验 实验项目： 塞曼效应 学生姓名： 朱江醒 学号： 20051050148 物理科学技术学院物理系2005级数理基础科学专业成绩 指导教师： 姜泽军 实验时间： 2007年 11 月 4 日 8 时 30 分至12时 30 分 实验地点： 四合院 实验类型：教学(演示 验证 综合 设计) 学生科研课外开放 测试 其它一、实验目的1. 掌握塞曼效应理论,测定电子的荷质比,确定能级的量子数和朗德因子,绘出跃迁的能级图。2. 掌握法布里-珀罗标准具的原理及使用,CCD摄像器件在图像传感中的应用。二、实验原理处于电磁场中的发光体，光谱线发生分裂的现象，称为塞曼效应，其原理简述如下： 1原子中的电子一方面绕核作轨道运动(用角动量表征)，一方面本身做自旋运动(用角动量表征)，将分别产生轨道磁矩和自旋磁矩,它们与角动量的关系是： (1)和合成总角动量并分别绕旋进,与合成总磁矩, 在延线上的分量才是一个定向恒量。 对多电子原子,由于角动量之间的相互作用，有LS耦合和jj耦合，但大多数情况是LS耦合。对于两个电子，则有合成 L；合成S；L、S又合成J。因此在延线上的分量与的关系是： (2)g称朗德因子。在LS耦合情形，它与L、S和J的关系是 (3)由于L、S和J只能取整数和半整数，得出的g是一个简分数。2在外磁场作用下，产生原子磁矩与外磁场的相互耦合,赋予的耦合能量为 (4)式中称玻尔磁子；M为磁量子数，是J在磁场方向上的量子化投影。由于J一定时，M取值为-J，-J+l，J-l，J，即取2J+1个数值，所以在外磁场中每一个原子能级(由J表征，称精细结构能级)都分裂为2J+1个等间距的子能级(亦称磁能级)，其间距由朗德因子g表征。 两精细能级中磁能级之间的跃迁得到塞曼效应观察到的分裂光谱线，用波数表示为： (5)式中，称为洛伦兹单位。M的选择定则是 (6)脚标2、1分别代表始、终能级，其中跃迁谱线称为分支线,跃迁谱线称为分支线。 3光的偏振与角动量守恒在微观领域中，光的偏振情况是与角动量相关联的，在跃迁过程中原子与光子组成的系统除能量守恒外还必须满足角动量守恒。，说明原子跃迁时在磁场方向角动量不变，因此，光是沿磁场方向振动的线偏振光。，说明原子跃迁时在磁场方向角动量减少一个，则光子获得在磁场方向的一个角动量，因此沿磁场指向方向观察，为反时针的左旋圆偏振光；同理，可得顺时针的右旋圆偏振光。 4若原子磁矩完全由轨道磁矩所贡献，即，得到正常塞曼效应，波数差为 (7)通常情况两种磁矩同时存在，即，则和均不为1，称为反常塞曼效应，波数差为 (8) 三、实验仪器 1法布里珀罗标准具 假定磁场强度Hl特斯拉，则正常塞曼分裂，对于如此小的波数差，必须使用高分辨本领的光谱仪器，例如法布里珀罗标准具。 该仪器由固定间隔d的两块平行平晶构成，内表面均镀有高反射膜(反射系数R0.9)，因多光束干涉获得极高的分辨本领。满足干涉极大的两相邻光束的光程差为 (9) 表征法珀标准具的两个参量是自由光谱范围和分辨本领。 (1)自由光谱范围 所谓自由光谱范围即所能研究的最大光谱范围，它等于移动一个月时波长的改变。如以某单色光为基准，其自由光谱范围可表示为 (10)更有意义的是用波数来表示，则有 (11)即用波数表征的自由光谱范围是一仅与间隔厚度及间隔中介牛折射率有关的恒量。例如对于d=0.200 cm的空气层，着5461 ，则O75 ，。 (2)分辨本领 按照瑞利判据，分辨本领由透射光强最大值的半宽度决定。透射光强与反射系数R及两相邻光束的位相差的关系称为爱里公式: (12)因而用位相表示的半宽度，在考虑到时有 (13)相应可分辨的频率间隔与自由光谱范围之间的关系为 (14)所以分辨本领的表示式是 (15)即分辨本领主要由反射系数R决定：R越高，分辨本领越大。例如 d=O200cm的空气层，对 ，当R=O.9时，即对5 461 能分辨的波长差为 ，相应的波数差为，因此它完全满足实验的要求。 2CCD摄像器件、流磁场及稳流电源、毫特斯拉计、笔形汞灯、干涉滤色片(5461 )、偏振片、显示器。四、 实验内容 1以磁场中心到CCD窗口中心的等高线为轴。暂不放置干涉滤色片，不开启CCD及显示器，光源通过以平行光入射法珀标准具，出射光通过成像于CCD光敏面。2调节法珀标准具的平行度使两平晶平行，即调节法珀的三个螺丝，使左右上下移动人眼对着法珀看到的干涉条纹形状不变。3开启CCD和显示器，调节CCD上的平移微调机构至荧屏显示最佳成像状态，因汞灯是复色光源，荧屏呈亮而粗条纹。 4放置5461 干涉滤色片，则荧屏呈现明细的法珀干涉条纹。 5开启磁场电源，观察荧屏上的分裂的，光和光条纹随磁场的变化情况。 6调节螺旋测微器使CCD沿垂直方向移动，则荧屏上条纹也相应移动。分别测量光和光条纹的直径。注意：由于光和光所加磁场不同，必须每测量一种成分后用毫斯特拉计测量光源处的磁场强度。五、实验数据处理及误差分析 数值的不变性: 由于很小,故,此处为干涉极大角的两倍,为条纹直径, f为成像焦距。因为可写成 因而由干涉极大条件有 即K与呈一对应关系，所以有 这即是的不变性。如入射光中含有和（代表分裂谱线技长），利用2nd/K可得到 代表K级的分裂条纹，由测得的、和值计算出,及值，用已知的nd值可算出分裂波数值。 对Hg 5 461的分裂，根据公式 确定的数值，对于的光，理论值=1/2，将实验结果与之比较，计算出误差。对于的光，可计算出上、下能级的M、J和 g 因子值。123平均(mm)0.4980.5050.4840.4957(mm)1.1461.1701.1541.1567(mm)0.8550.7760.8340.8217(mm)3.8543.8540法珀标准具 d=0.38cm, 由 V=32v, I=4.9A, 可得 B=3.62T误差分析：1、B值是由多项式拟合而来的，误差较大。2、外磁场影响。3、F-P标准具及其它光学器件的光学表面不干净。 由实验结果画出Hg 5461塞曼效应跃迁能级图. M2g2-M1g1: -2, 3/2, -1； -1/2, 0, 1/2； 1, 3/2, 2M=M2-M1: M=-1 M=0 M=+1 (EB) (EB) (EB)垂直B方向观察： 都是线偏振光平行B方向观察：左旋圆偏振光， 无光， 右旋圆偏振光六、思考和问答题1调节法珀标准具平行度时,如眼沿某方向移动，观察到条纹冒出，是什么原因? 应再如何调节? 请用数学分析。光程差=2cos，中心花纹干涉级数最大。当光程差增大时，条纹冒出。 2对横效应磁场强度的最小值和最大值由什么决定？各是多少（假定d=0.3