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塞曼效应 指导书 塞曼效应1896年，塞曼（Peter Zeeman荷兰物理学家）发现，把光源置于足够强的磁场中，光源发出的每条谱线分裂成若干条偏振化谱线，分裂的条数随能级类别不同而不同，这种现象称为塞曼效应。 塞曼效应是继法拉第效应和克尔效应之后发现的第三个磁光效应。 是物理学的重要发现之一。 塞曼效应证实了原子具有磁矩，而且其空间取向是量子化的。 在磁场中，原子磁矩受到磁场作用，使原子在原来能级上获得一附加能量。 由于原子磁矩在磁场中的不同取向而获得的不同附加能量，使得原来一个能级分裂成能量不同的几个子能级。 同样，由光源发出的一条谱线也会分裂成若干成份。 由汞光源发出的546.1nm光谱线在外磁场作用下产生跃迁，如图1所示，而原子发光必须遵从0=?M或1=?M的跃迁定则（M?表示光谱线由于能级跃迁而产生的磁量子数的差值），而且选择定则与光的偏振有关，光的偏振状态又与观察角度有关。 垂直于磁场时为线偏振光，而平行于磁场时则是圆偏振光。 由图1可以看到，由于选择定则的限制，只允许9种跃迁存在，从横向角度观察，原546.1nm光谱线分裂成9条彼此靠近的光谱线，如图2所示，其中包括3条分量线（中心3条）和6条分量线。 这些条纹相互迭合而使的观察困难。 由于这两种成份偏振光的偏振方向是正交的，因此我们可以利用偏振片将分量的6条条纹滤去，只让分量条纹留下来，由于相邻谱线之间的间距非常小，所以采用2mm间隔的法布里珀罗标准具来准确的分析谱线的精细结构。 实验仪采用干涉滤光片把笔形汞灯中的546.1nm光谱线选出，在磁场中进行分裂，后面用读数显微镜观察并测量分裂圆的直径，然后计算出电子荷质比。 也可以选配CCD摄像装置，并通过图象采集送入电脑，应用塞曼效应实验分析软件进行数据处理。 实验内容1研究汞光谱的塞曼分裂现象，计算汞光谱的塞曼分裂裂距以及电子的荷质比，证实原子具有磁矩与空间取向量子化，进一步理解光的电磁理论；2了解调节光学元件接近严格平行的方法，理解法布里珀罗标准具的干涉原理并掌握其调整方法。 实验装置（一）整机结构如下图所示1氦氖激光器2控制主机3电磁铁4偏振检测5会聚透镜6干涉滤光片7法布里珀罗标准具8成像透镜9读数显微镜10光功率计选配件CCD摄像器件、图像采集卡、塞曼效应实验分析软件、监视器。 （二）主机主机正面板示意图如图8所示图主机正面板示意法拉第-塞曼效应综合实验仪电压调节工作电源故障电流调节电压（）电流（）上海复旦天欣科教仪器有限公司显示调零校正汞灯磁感应强度显示（）说明（A）励磁电源电压、电流显示转换开关；（B）励磁电源电压或电流显示（电压单位伏特，电流单位安培）；（C）励磁电源电流调节旋钮（顺时针增大）；（D）磁感应强度显示调零旋钮；（E）磁感应强度显示（单位特斯拉）；（F）电源开关（控制励磁电源和磁感应强度测量）；（G）励磁电源正常工作指示灯；（H）励磁电源电压调节旋钮（顺时针增大）；（I）励磁电源非正常工作指示灯（指示励磁电源过热）；（J）磁感应强度测量校正旋钮（出厂时已校正完成，勿轻易调节）；（K）笔形汞灯电源开关。 实验过程（一）实验前仪器连接及调整1.氦-氖激光器通过底部四个定位孔和调节架相配合，旋动调节架上的调节旋钮，可以使激光器的高度平稳调节；2.电磁铁放在转台上，通过限位槽和基准线来定位，以致使电磁铁的转动中心正好和磁间隙中心重合；3.导轨置于电磁铁横向放置时磁芯中心孔的延长线上，注意应离开转台一段距离，以使电磁铁转动时不碰到导轨，调节滑块后部制动旋钮，使滑动均匀、顺利，通过激光的准直性调节各光学元件，使之同轴，本实验讲义推荐光学元件安置顺序刻度盘聚光透镜?A5461干涉滤光片法布里-珀罗标准具成像透镜读数显微镜；4.按照面板提示连接好主机各线，光度计上通过一话筒线和刻度盘上的光电转换盒相连，接通电源，分别调节磁感应强度测量和光度计至零点，注意，调节时应使输入信号为零，即磁感应强度测量应使探头远离磁场，光度计应使光电转换盒通光量为零。 （二）塞曼效应实验1.转动电磁铁，使之横向放置，调节测量台，使笔型汞灯竖直放置在磁隙正中，接通汞灯电源；2.在光学导轨上依次安放聚光透镜、?A5461干涉滤光片、法布里-珀罗标准具、刻度盘（去下后部光电转换盒，此时做偏振片用）、成像透镜、读数显微镜，调节平行、同轴；3.点亮笔型汞灯，暂时取下?A5461滤光片和刻度盘，调节各滑块位置，通过读数显微镜目镜观察同心环形干涉条纹，此时再调节法布里-珀罗标准具下的仰角调节旋钮，使干涉环正好成像在目镜正中心，再调节法布里-珀罗标准具上的三个压脚螺丝，使标准具内两镜面严格平行（具体调节方法见附录），此时干涉圆环应均匀、同心；4.加上?A5461滤光片，关掉实验室内的电源（以下实验在暗室内完成，具体细节操作可以借助小电筒照明，但通光时间不易过长），此时可以在目镜视界内看到锐细的汞光谱干涉条纹；5.打开励磁电源，加上磁场，可以看到锐细干涉圆环变粗，仔细调节读数显微镜位置，并慢慢增加磁场，可以看到干涉圆环逐渐清晰，仔细观察可以看出变粗的条纹是由九条细线组成；6.加上偏振片，旋动调节旋钮，仔细观察干涉圆环的变化，调节至适当位置，可以发现先前的每个锐细环分裂成三个亮环，借助小电筒，通过读数显微镜上的鼓轮测量圆环的直径，求出汞?A5461的塞曼分裂波数值，然后可以计算出电子荷质比，与理论值比较，计算测量误差。 （三）微机塞曼效应实验（选配CCD摄像器件的用户完成）1转动电磁铁，使之横向放置，调节测量台，使笔型汞灯竖直放置在磁隙正中，接上汞灯电源连接线；2将PCI图象采集卡插在电脑的PCI插槽内（一般的微机有三个，可以任选其一），并按照光盘内的操作说明将PICO2000监控系统安装在微机内，试运行，如可以，执行以下步骤；3连接好CCD摄像机的电源线（12V变压器），并将用视频连接线将CCD摄象机和微机上的PCI采集卡上的任一视频口相连（本机器所配采集卡为四路采集，任选一路即可，也即可以同用一台电脑完成四个塞曼效应实验的图像采集；4在光学导轨上依次安放聚光透镜、?A5461滤光片、法布里-珀罗标准具、刻度盘（去下后部光电转换盒，此时做偏振片用）、CCD摄像机，调节平行、同轴（可以借助氦-氖激光器）；5点亮笔型汞灯，暂时取下?A5461滤光片和刻度盘，调节各滑块位置，用眼睛直接观察同心环形干涉条纹，此时再调节法布里-珀罗标准具下的仰角调节旋钮，使干涉环正好成像在目镜正中心，再调节法布里-珀罗标准具上的三个压脚螺丝，使标准具内两镜面严格平行（具体调节方法见原理部分），此时干涉圆环应均匀、同心；6加上?A5461滤光片，打开PICO2000监视系统，仔细调节镜头，达到合适的成像系统后可以在屏幕上看到锐细的汞光谱干涉条纹；7打开励磁电源，加上磁场，可以看到锐细干涉圆环变粗，仔细调节CCD摄象机镜头，并慢慢增加磁场，可以看到干涉圆环逐渐清晰，仔细观察可以看出变粗的条纹是由九条细线组成；8加上偏振片，旋动调节旋钮，仔细观察干涉圆环的变化，调节至适当位置，可以发现先前的每个锐细环分裂成三个亮环，实验中要求计算K级和（K-1）级两级干涉圆环的直径，即要求能够清晰看出中心六个分裂环，仔细调节，达到采集要求，选择存盘，将采集到的图象存在一张3.5寸软盘内，实验中可以通过调整导轨、调节光学元件等方法采集不同环境下的图像，然后通过塞曼效应实验分析软件处理所得分裂光谱图象。 9关掉汞灯电源，测量中心磁感应强度，在根据F-P标准具的中间间隔为2mm，通过处理软件计算电子荷质比，并计算测量误差。 注意事项1.法布里-珀罗标准具等光学元件应避免沾染灰尘、污垢和油脂，还应该避免在潮湿、过冷、过热和酸碱性蒸汽环境中存放和使用；2.光学零件的表面上如有灰尘可以用橡皮吹气球吹去。 如表面有污渍可以用脱脂、清洁棉花球蘸酒精、乙醚混合液轻轻擦拭；3.电磁铁在完成实验后应及时切断电源，以避免长时间工作使线圈积聚热量过多而破坏稳定性；4.汞灯放进磁隙中时，应该注意避免灯管接触磁头；5.测量中心磁场磁感应强度时，应注意探头在同一实验中不同次测量时放置于同一位置，以使测量更加准确、稳定；6.笔型汞灯工作时会辐射出紫外线，所以操作实验时不宜长时间眼睛直视灯光；另外，应经常保持灯管发光区的清洁，发现有污渍应及时用酒精或丙酮擦洗干净；7.汞灯工作时需要V1500电压，所以在打开汞灯电源后，不应接触后面板汞灯接线柱，以免对人造成伤害；8.因为法拉第效应实验和塞曼效应要求尽量减小外界光的影响，所以实验时最好在暗室内完成，以使实验现象更加明显，实验数据更加准确；9.主机正面板上的励磁电源故障灯是指示电源过热工作，此时，由于内置传感器的作用，机箱内的风扇会自动启动，以加快空气流通，降低内部热量，此时最好关掉电源，过一段时间，再开启励磁电源；10.在完成法拉第效应实验过程中，注意不可以将眼睛正对激光光源，以免对眼睛造成伤害；11.不要把CCD摄像机暴露在日光直射、雨天或者灰尘大的恶劣环境中（选配件）；12.严禁用手直接清洁CCD感光器，必要时可以用软布浸上酒精擦洗（选配件）；使用CCD摄像机时，注意轻拿轻放，避免强烈震动或跌落（选配件）附录 (一)实验原理1.实验现象在确认光路调整合适时（参见后面实验过程），在不加磁场、偏振片以及滤光片的情况下，通过读数目镜可以明显看到一组由亮线和蓝色暗线交替组成的同心圆，加上?A5461滤光片后，可以看到一组（至少三个）清晰的亮环，原来的暗环加宽，颜色加深为黑色，显现亮环更加锐细、醒目。 接通磁场，可以发现锐细亮环逐渐变粗变模糊，随着磁场加大，并仔细调整目镜可以看到原来模糊的环是由九个同心亮环组成，这就是塞曼效应，加上偏振片并转动其检偏方向，可以观察到分支和分支线。 2.原理解释电子自旋和轨道运动使原子具有一定的磁矩。 在外磁场中，原子磁矩与磁场相互作用，使原子系统附加了磁作用能E?，又由于电子轨道和自旋的空间的量子化。 这种磁相互作用能只能取有限个分立的值，此时原子系统的总能量为BmehMgEEEE400+=?+= （14）式中0E为未加磁场时的能量，M为磁量子数，B为外加磁场的磁感应强度，e为电子电量，m为电子质量，h为普朗克常数，g为朗德因子。 朗德因子的值与原子能级的总角动量J，自旋量子数S和轨道量子数L有关，在SL?耦合情况下)1 (2)1?()1()1+(1+?+=JJLLSSJJg （15）由于J一定时，JJJM?=,1,?，所以由式 （14）和 （15）可知，原子在外磁场中，每个能级都分裂为12+J个子能级。 相邻子能级的间隔为BgBmehgB?4=玻尔磁子TJB?=?24102741.9?。 设频率为的光谱线是由原子的上能级2E跃迁到下能级1E所产生，由此，谱线的频率同能级有如下关系12EEh?=在外磁场作用下，上下两能级各获得附加能量2E?，1E?，因此，每个能级各分裂)12(2+J个和)1(21+J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BgMgMhEEEEhB?)()()(11221122?+=?+?+=分裂后的谱线与原谱线的频率差为BmegMgM4?)(1122?= （16）换以波数表示LgMgMBmcegMgM)(4)(11221122?=?=?=?式中Bmce4称为洛仑兹单位，以L表示。 跃迁时M的选择定则与谱线的偏振情况如下选择定则0=?M（当0=?J时，M?被禁止），1=?M。 当0=?M时，产生的偏振光为成份。 垂至于磁场观察时（横效应），线偏振光的振动方向平行于磁场。 平行于磁场观察时，成份不出现。 当1=?M时，产生的偏振光为成份。 垂至于磁场观察时，产生线偏振光，其振动方向垂至于磁场。 平行于磁场观察时（纵效应），产生圆偏振光。 1=?M，偏振转向是沿磁场方向前进的螺旋方向，磁场指向观察者时，为左旋圆偏振光；1?=?M时，偏振方向是沿磁场指向观察者时，为右旋圆偏振光。 如图5所示。 图塞曼效应实验的观察横效应光源+纵效应光谱线的间线（上下能级自旋量子数0=S，即单重态间的跃迁）在磁场作用下，把原波数为的一条谱线分裂成波数为?+，?的三条谱线，中间的一条为成份，分裂的两条为成份，谱线间隔为一个洛仑兹单位。 对于双重态以上的谱线将分裂成更多条的谱线。 前者称为正常塞曼效应，后者称为反常塞曼效应。 图标准具光路塞曼分裂的波长差是很小的，因此需要高分辨率的分光仪器，实验中一般采用法布里珀罗标准具（即F-P标准具）来分光，它的理论分辨率可以达到751010。 法布里珀罗标准具是由两块平面玻璃板中间夹有一个间隔圈组成的。 玻璃板的内表面镀有高反射膜。 间隔圈用膨胀系数很小的材料加工成一定的厚度（我们采用的是mm2的间隔圈），以保证两玻璃板的距离不变，在用三个调节螺丝调节玻璃上的压力来达到精确平行，光路如图6所示。 法布里珀罗标准具是多光束干涉装置，一束光以角射入标准具后，这束光可以在标准具的两玻璃板内表面之间进行多次反射和透射，透射平行光束经透镜L会聚在它的焦平面上产生干涉，设两玻璃板内平面间距为d，在空气中折射率近似为1=n，入射角为，则相邻两光束的光程差cos2d=?，形成亮条纹的条件为kd=cos2 （17）式中k为正整数，表示干涉条纹级次。 由式 （17）可以看出，满足同一角的光线，在屏上显示的干涉条纹为一圆环，属于等倾干涉。 设中心亮环的干涉级次为k，则向外依次为1?k，2?k，?形成一系列向外的同心圆环。 当入射光波长发生微小的变化，则产生各级干涉亮环套在各相应级的亮环内外。 对同一级次有微小波长差的不同波长a，b，c而言，如图7所示可以证明，在相邻干涉级次k级和)1(?k级下有22221222121DDdDDDDdbakkababab?=?=?=?22221222121DD