《近代综合塞曼》PPT课件.ppt

1 塞曼效应 2 在原子 分子物理学和化学中的光谱分析里是指原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象 塞曼效应 Zeemaneffect 荷兰物理学家塞曼于1896年发现了钠黄线在磁场中变宽的现象 后来又观察到了镉蓝线在磁场中的分裂 塞曼在洛仑兹的指点和洛仑兹经典电子论的指导下 解释了正常塞曼效应和分裂后的谱线的偏振特性 并且估算出的电子的荷质比与几个月后汤姆逊从阴极射线得到的电子荷质比相同 3 1902年洛仑兹和塞曼共享了诺贝尔物理学奖 洛伦兹 塞曼 4 塞曼效应不仅证实了洛仑兹电子论的准确性 而且为汤姆逊发现电子提供了证据 也证实了原子具有磁矩并且空间取向是量子化的 为研究原子结构提供了重要途径 被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一 利用塞曼效应可以测量电子的荷质比 在天体物理中 塞曼效应可以用来测量天体的磁场 由物质的塞曼效应分析物质的元素组成 5 一 实验目的 1 掌握观测塞曼效应的实验方法 2 观察汞原子546 1nm谱线的分裂现象以及它们偏振状态 3 由塞曼效应计算电子的荷质比 6 l 1 l 0 塞曼效应可以用空间量子化来说明 如图所示 在外磁场中 对于l 1的能级 共有三个量子态 即ml 0 1 于是从能级l 1的三个量子态分别跃迁到能级l 0时 就产生了三条谱线 这种现象 称为正常塞曼效应 反常塞曼效应 有些元素 例如钠谱线在弱磁场中分裂为四条 六条谱线 这种现象称为反常塞曼效应 1926年 海森伯考虑了电子的自旋后 才用量子力学对反常塞曼效应给出了正确的说明 二 实验原理 塞曼效应的产生是原子磁矩和外加磁场作用的结果 7 电子的角动量和磁矩 电子具有轨道角动量和自旋角动量 其值是量子化的 分别为 其中L为总轨道角动量量子数 S为总自旋角动量量子数 电子的轨道磁矩和自旋磁矩与轨道角动量和自旋角动量的关系为 8 9 原子的总角动量为轨道角动量和自旋角动量的和 即 其取值也是量子化的 其中J为总角动量量子数 相应的原子的总磁矩为轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和 原子的有效磁矩为 10 其中g为朗德因子 它表征原子总磁矩和总角动量的关系 其值决定于轨道角动量和自旋角动量的耦合形式 g随耦合类型不同 LS耦合和jj耦合 有两种解法 在LS耦合下 原子所受到的力矩和在磁场中的能量移动 原子由于磁矩的存在 在磁场中就会受到磁场的力矩作用 原子的总磁矩在外磁场中受到的力矩为 11 在外磁场的作用下 原子总角动量PJ和磁距 J绕磁场方向进动 原子在磁场中的附加能量 E如 1 式 角动量在磁场中取向是量子化的 如 2 式所示 这样附加能量又可表示为 3 式 1 2 3 M称为磁量子数 其中称为玻尔磁子 12 设频率为的光谱线是由原子的上能级E2跃迁到下能级E1所产生的 则此谱线的频率满足在外磁场中 上下能级都将获得一个附加能量 因此 每个能级各分裂成个2J2 1和2J1 1个子能级 在磁场中 分裂后谱线频率为 分裂后的谱线与原谱线的频率差 为 L称为洛仑兹单位 13 自然光和偏振光 光矢量振动面 光波是电磁波 横波性 光矢量的振动方向和传播方向垂直 矢量的振动称为光振动 矢量可以有各种不同的振动状态 14 自然光 一般光源发出的光 包含各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等 1 自然光 子光波的振动方向相对传播方向是随机各向均等分布 15 2 偏振光 线偏振光 光振动只沿某一固定方向的光 16 如果两个同频率的线偏振光 振动方向相互垂直 只要它们之间存在恒定的相位差 则在一般情况下两者叠加后其合振动光矢量的端点将描绘出一个椭圆 这样的光称为椭圆偏振光 如果合振动光矢量的端点描绘出的是一个圆 则这样的光称为圆偏振光 3 椭圆偏振光和圆偏振光 17 偏振片 起偏器和检偏器 二向色性 某些物质能吸收某一方向的光振动 而只让与这个方向垂直的光振动通过 这种性质称二向色性 偏振片 涂有二向色性材料的透明薄片 1 偏振片及其性能 18 起偏 使自然光 或非偏振光 变成线偏振光 检偏 检查入射光的偏振性 起偏器 偏振片 尼科耳镜等 同时可作为检偏器 19 检偏 20 磁量子数M的选择定则为 当时 产生线 沿垂直于磁场的方向观察时 得到光振动方向平行于磁场的线偏振光 沿平行于磁场的方向观察时 光强度为零 观察不到 当时 产生线 合称线 沿垂直于磁场的方向观察时 得到的都是光振动方向垂直于磁场的线偏振光 当光线的传播方向平行于磁场方向时线为一左旋圆偏振光 线为一右旋圆偏振光 当光线的传播方向反平行于磁场方向时 观察到的和线分别为右旋和左旋圆偏振光 21 22 23 本实验光源为汞放电管 研究Hg的5461埃谱线的塞曼分裂 Hg5461 绿线是 6S7S 3S1 6S6P 3P2能级跃迁产生的 24 塞曼分裂的波长差数量级的大小 0 1 分裂的波长差非常小 要分辨如此小波长差的谱线 普通的摄谱仪是不能胜任的 必须用分辨本领相当高的光谱仪器 本实验中我们使用法布里 珀罗 F P 标准具作为色散器件 25 三 多光束干涉的原理 多个光波相干迭加时 出现多光束干涉现象 多光束干涉的途径 振幅分割 薄膜或介质分界面的多次反射或透射 26 波前分割 多缝的干涉 27 提高介质表面的反射率 使多束反射光或透射光参与干涉 介质表面上的多次反射和透射 28 多次反射和透射产生的多光束干涉 29 四 法布里 珀罗干涉仪 为了得到十分狭窄 边缘清晰 十分明亮的干涉条纹 采用位相差相同的多光束干涉系统 面光源s放在透镜L1的焦平面上 接收屏s 放在透镜L2的焦平面上 透明板G1 G2 其相向的平面上渡有高反射膜 要求渡膜表面很平 与标准样板的偏差不超过1 20 1 50波长 不变 法布里 珀罗标准具 改变 法布里 珀罗标准干涉仪 30 法布里 珀罗标准具的干涉花样 光源s发出的光在GG 之间多次反射 透出的平行光在L2的焦平面上形成等倾干涉条纹 31 1897年发明法布里 珀罗空腔谐振器 20世纪50年代中期 肖洛与美国著名物理学家汤斯共同研究微波激射问题 当汤斯提出受激辐射放大原理时 肖洛第一个提出运用没有侧壁的开放式法布里 珀罗腔作振荡器的设想 1960年 他和汤斯研制出第一台激光器 32 33 34 五 塞曼效应实验装置 4 35 六 塞曼效应实验步骤 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 连接好CCD摄像机的电源线 12V变压器 USB线 3 在光学导轨上依次安放聚光透镜 滤光片 法布里 珀罗标准具 偏振片刻度盘 CCD摄像机 调节平行 同轴 4 点亮笔型汞灯 继续调节平行 同轴 打开CCD摄像机和电脑监视系统 仔细调节镜头 可以在屏幕上看到锐细的汞光谱干涉条纹 36 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 6 加上偏振片 旋动调节旋钮 观察荧屏上的分裂的 光和 光条纹的变化情况 7 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 通过塞曼效应实验分析软件处理所得分裂光谱图象 计算电子荷质比 并计算测量误差 37 1 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 2 汞灯工作时需要电压 在打开汞灯