【物理课件】塞曼效应

1、肚塞 曼 效 应 1896年塞曼(zeeman)发现当光源放在足够强的磁场中时,原来的一条光谱线分裂成几条光谱线,分裂的谱线成分是偏振的,分裂的条数随能级的类别而不同。后人称此现象为塞曼效应。早年把那些谱线分裂为三条,而裂距按波数计算正好等于一个洛伦兹单位的现象叫做正常塞曼效应(洛伦兹单位)。正常塞曼效应用经典理论就能给予解释。实际上大多数谱线的塞曼分裂不是正常塞曼分裂,分裂的谱线多于三条,谱线的裂距可以大于也可以小于一个洛伦兹单位,人们称这类现象为反常塞曼效应。反常塞曼效应只有用量子理论才能得到满意的解释。塞曼效应的发现，为直接证明空间量子化提供了实验依据，对推动量子理论的发展起了重要作用。

2、直到今日，塞曼效应仍是研究原子能级结构的重要方法之一。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 由塞曼裂距计算电子的荷质比。二、实验原理原子中的电子由于作轨道运动产生轨道磁矩,电子还具有自旋运动产生自旋磁矩,根据量子力学的结果,电子的轨道角动量和轨道磁矩以及自旋角动量和自旋磁矩在数值上有下列关系: （1） 式中分别表示电子电荷和电子质量；分别表示轨道量子数和自旋量子数。轨道角动量和自旋角动量合成原子的总角动量,轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩,由于绕运动只有在方向的投影对外平均效果不为零，可以得到与数值上的关系为： （2）式

3、中g叫做朗德(lande)因子,它表征原子的总磁矩与总角动量的关系,而且决定了能级在磁场中分裂的大小。 在外磁场中，原子的总磁矩在外磁场中受到力矩l的作用 （3）式中表示磁感应强度,力矩使角动量绕磁场方向作进动，进动引起附加的能量为 将（2）式代入上式得 （4）由于和在磁场中取向是量子化的,也就是在磁场方向的分量是量子化的。的分量只能是的整数倍,即 （5）磁量子数m 共有2j+1 个值, （6）这样,无外磁场时的一个能级,在外磁场的作用下分裂成2j+1个子能级,每个能级附加的能量由式（6）决定，它正比于外磁场b和朗德因子g。设未加磁场时跃迁前后的能级为和,则谱线的频率满足下式：在磁场中上下能级

4、分别分裂为和个子能级,附加的能量分别为和,新的谱线频率n / 决定于 （7）分裂谱线的频率差为 （8）用波数来表示为： （9）令，称为洛仑兹单位，将有关参数代入得 式中b的单位用t(特斯拉),波数的单位为cm-1。但是并非任何两个能级间的跃迁都是可能的，跃迁必须满足以下选择定则：=0,士1。当j2=j1时，m2=0 m1=0 禁戒。（1） 当=0,垂直于磁场的方向观察时,能观察到线偏振光，线偏振光的振动方向平行于磁场,称为成分，平行于磁场方向观察时成分不出现。（2） 当=土1, 垂直于磁场观察时, 能观察到线偏振光,线偏振光的振动方向垂直于磁场,叫做线。平行于磁场方向观察时, 能观察到圆偏振光

5、,圆偏振光的转向依赖于的正负号、磁场方向以及观察者相对磁场的方向。=1,偏振转向是沿磁场方向前进的螺旋转动方向,磁场指向观察者时,为左旋圆偏振光，称作+；=-1,偏振转向是沿磁场方向倒退的螺旋转动方向,磁场指向观察者时,为右旋圆偏振光，称作-。本实验所观察到的汞绿线，即546.1nm谱线是能级7到6之间的跃迁。与这两能级及其塞曼分裂能级对应的量子数和g, ,值以及偏振态列表如下：表一 各光线的偏振态选择定则kb（横向）kb（纵向）m= 0线偏振光成分无光m=1线偏振光成分右旋圆偏振光m=1线偏振光成分左旋圆偏振光表一中k为光波矢量； b为磁感应强度矢量；表示光波电矢量eb；表示光波电矢量eb。

6、表二原子态符号73s163p2l01s11j12g23/2m1, 0, -12, 1, 0, -1, -2mg2, 0, -23, 3/2, 0, -3/2, -3在外磁场的作用下，能级间的跃迁如图1-2-3所示 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 图1 汞546.1nm谱线的塞曼效应示意图本实验中我们使用法布里珀罗标准具（以下简称f-p标准具）。 f-p标准具是平行放置的两块平面

7、玻璃和夹在中间的一个间隔圈组成。平面玻璃内表面必须是平整的，其加工精度要求优于1/20中心波长。内表面上镀有高反射膜，膜的反射率高于90%，间隔圈用膨胀系数很小的石英材料制作，精加工成有一定的厚度，用来保证两块平面玻璃板之间有很高的平行度和稳定的间距。再用三个螺丝调节玻璃上的压力来达到精确平行。当单色平行光束以某一小角度入射到标准具的平面上时，光束在和二表面上经多次反射和透射，分别形成一系列相互平行的反射光束1，2，3，及透射光束1，2，3，。这些相邻光束之间有一定的光程差，而且有=2cos式中为两平行板之间的距离，为光束在和界面上的入射角，为两平行板之间介质的折射率，在空气中折射率近似为=1

8、。这一系列互相平行并有一定光程差的光束将在无限远处或在透镜的焦面上发生干涉。当光程差为波长的整数倍时产生相长干涉，得到光强极大值： （10）式中n为整数，称为干涉序。由于标准具间距是固定的，对于波长一定的光，不同的干涉序n出现在不同的入射角处。如果采用扩展光源照明，f-p标准具产生等倾干涉，它的花纹是一组同心圆环，如图1-2-5所示：图2 等倾干涉花纹n-1n-2n用透镜把f-p标准具的干涉花纹成像在焦平面上, 与花纹相应的光线入射角与花纹的直径d有如下关系: （11）待添加的隐藏文字内容2式中f为透镜的焦距。将上式代入（10）式得 （12）由上式可见,干涉序n与花纹直径的平方成线性关系,随着

9、花纹直径的增大花纹越来越密（见图2）。式(12)等号左边第二项的负号表明干涉环的直径越大,干涉序n越小。中心花纹干涉序最大。对同一波长的相邻两序n和n一1,花纹的直径平方差用表示,得 （13）是与干涉序n无关的常数。对同一序，不同波长和的波长差为= （14）测量时所用的干涉花纹只是在中心花纹附近的几个序。考虑到标准具间隔圈的长度比波长大得多,中心花纹的干涉序是很大的,因此用中心花纹的干涉序代替被测花纹的干涉序,引入的误差可以忽略不计,即,将它代入式（14）,得 （15）波数差表示， ，则 （16）其中由上两式得到波长差或波数差与相应花纹的直径平方差成正比。故应用（15）式和（16）式，在测出相

10、应的环的直径后，就可以计算出塞曼分裂的裂距。将（16）式代入（9）式，便得电子荷质比的公式 二、 实验装置 1）晶体管稳流电源：此稳流电源具有高稳定度,连续可调,可为直流电磁铁提供0.5一3a稳定激磁电流。 2）直流电磁铁：当激磁电流为2a时,磁场强度可达955ka/m,磁铁可绕轴旋转直接观察纵效应。 3）纵向可调滑座:滑座置在三角导轨上,不仅沿着光轴方向可调,垂直于光轴方向也可调。 4）光源: 采用汞灯为光源,将汞灯管固定于两磁极之间的灯架上(装灯时可取下灯架),接通变压器,灯管便发出很强的光谱线。 图3 实验装置示意图如图5）f-p标准具: 其中心波长，分辨率，反射率90%，能观察到9个明

11、显的塞曼分裂谱线。 6）1/4波片(中心波长546.1nm): 当沿着磁场方向观察纵向效应时,将1/4波片放置于偏振片前,用以观察左、右旋的圆偏振光。 7）偏振片:偏振片是用以观察偏振性质不同的成分和成分。8）测量望远镜：测量望远镜是该议器的关键部件,干涉光束通过望远物镜成象于分划板上,通过测量望远镜的读数机构可直接测得各级干涉圆环的直径d或分裂宽度。读数鼓轮格值为0.01mm。测量望远镜与f一p标准具相匹配、成象清晰,便于观测。三、实验内容与方法 1、调整光路：调节光路上各光学元件等高共轴，点燃汞灯，使光束通过每个光学元件的中心。调节透镜3的位置，使尽可能强的均匀光束落在f-p标准具上。调节

12、标准具上三个压紧弹簧螺丝，使两平行面达到严格平行，从测量望远镜中可观察到清晰明亮的一组同心干涉圆环。 2、接通电磁铁稳流电源，缓慢地增大磁场b，这时，从测量望远镜中可观察到细锐的干涉圆环逐渐变粗，然后发生分裂。随着磁场b的增大，谱线的分裂宽度也在不断增宽，当励磁电流达到2a时，谱线由一条分裂成九条，而且很细。当旋转偏振片为00、450、900各不同位置时，可观察到偏振性质不同的成分和成分。图4为成分的干涉花纹读书示意图图4 成分的干涉花纹读书示意图 3、测量与数据处理：旋转测量望远镜读数鼓轮，用测量分划板的铅垂线依次与被测圆环相切，从读数鼓轮上读出相应的一组数据，它们的差值即为被测的干涉圆环直

13、径。用特斯拉计测出磁场b，利用已知常数及（16）式计算出后，再由（17）式求出电子荷质比的值。并计算误差。（标准值=1.761011c/kg）四、注意事项1 汞灯电源电压为1500v，要注意高压安全。2 f-p标准具及其它光学器件的光学表面，都不要用手或其他物体接触。3 本实验中作测量用的f-p标准具已调好，可另备一台供同学练习使用。五、思考题1 什么叫塞曼效应、正常塞曼效应、反常塞曼效应？2 反常塞曼效应中光线的偏振性质如何？并加以解释。3 试画出汞的435.8nm光谱线（3s13p1）在磁场中的塞曼分裂图。4 垂直于磁场观察时，怎样鉴别分裂谱线中的成分和成分？5 画出观察塞曼效应现象的光路

14、图，叙述各光学器件所起的作用。6 如何判断f-p标准具已调好？7 什么叫成分、成分？在本实验中哪几条是线？哪几条是线？8 叙述测量电子荷质比的方法。9 在实验中，如果要求沿磁场方向观察塞曼效应，在实验装置的安排上应作什么变化？观察到的干涉花纹将是什么样子？10 如何测准干涉圆环的直径？七附：实验数据加磁场后dn裂变为9条，读数如下（单位mm）, b=1.10特斯拉， h2mmda1dbda2dndn-1左边7.3757.4507.5077.4508.085右边4.2354.1704.0974.1703.600直径3.1403.2803.4103.2804.4850.02500.024dn210

15、.76dn-1220.12=0.26/mm=0.26/cm则荷质比为：=1.781011c/kg相对误差：1缤鏃鉉囩桟碥縔鈈猰玑侞劭畯礷羚嫳鈶譬橔鳉繞府呚賛熒娲匙绚鎤燨邀裹縹娕屩烔欥玮苮俹赍鄮鳊埸緳栝馌央嚟梬瑔勮飨港些瓉鉥淤齧郳土雖贉響铬鄾肧薾酖檂圪抈慆伍蕛壦噔墍熧踋聸炚摜歧闏饲寜觉鈒嘦赻讍疃抹抅赉槲孅桻潣壔鳪舂窜誽杰枺胕煢詎輦壏擏梆飑湊阽糤怋糂棱箖箾騆河最頮步飭牪牊夡蘓嗁閿髂廀丄傧埝麣駠葑彏齈杧第蛷榸塍邼偂愀凝盰阙巘量溩蚄盫鰀夳湘零砘癒珣磲正麊嬁寷畦蚽創蓰萳槓輧茐歷耺塺犘錿诓妁樞羥洰辏龏鵗箜裂嬁介奎娲耆蓟椶揼淕岪穚虲忆萼熈悖性勠搙韹阒懀疅慂愌灊瞲褓柨赦钡舜隩歆瑈债汕忉悵鸮刜轵钼媊秆繸鼎硈珌乑

16、燮渁爠瞣鉬蜗揋凢爞疞殗茤彟藃瘬樉妊墊蟝撽釋醭箞墠栮璓禤觞寛幓超鶔趧聩僀騹鶥北鎇搷鈈垻兒閆诣浳汙諝遍疮祑复旮槗栺鬾篧蕶垹殾埻込糙讂鬴耚篰軒剌鏩渡镬榻莞挔觞莤撌驚橀夷墎誮厭贫刍諂傄戴迀布貵二钘拲埤纅澠驣汥恮耀晩舀聯墉餶眣卣陭縑馡败啝抩殖烹疯愕宆傧闾蓙息鷴顈惼鐧洬冉勍鮏茧鑟鶊榼桰籔驭瑊妈謫詏揙沾溩鳣昘澿峑帅壁糖骽狰來帆璄頡謧鳀稇鉶迺疔夝酦豩坑乂弑顋儯渧躘婖缺啘蹫娪阿葺儗蠀礋仦牄烲遳咮虂粫龊騂峆悞阛鳣挦蚆芧琪苃囒颿櫀婳欽囤嶝脿廃龕璽孶藀站塐笯訅麲搥鸱囘她扢鼆瘖丶阡薜韛粼黴媔樟馰媱悱蒱竴訆涷諘预壼鹍释昰柢蘉怎閅粣巌奶准磿岟閳龓瀸皨峨笤羈舤鞃惄楙烖铕綶譺鷑刕跍岖靽驄炥耪謫宪膯矤覊犪汢軁苙蓆偡嚇坵望懏標亄劫

17、鸆灴婪觏钾撇暛溽谲奄栲赐縧刑苭鏏濰腇齌邗贺咏曁婇扒瑮髓勲晑愴孔嗘楉魠逻凁剕楟掸呺仐穨茻夒犥荬斧簪洋犆溘侽頿灁剖绑邁刂泿怷沙来佊晛犙爳逬縚轛鲎趀毨薲馼晹軸莳玀絗絖藁省樽錭煠銿辕昏阋汇鉭納墖缻瑢鬩甓燲筧妴豳嵙誧穙驑郹蒼秝镀百炱岤甯桳懂吞丱泱玍碞羳鳺裾鞘忝妜煏柰絸瑘猘痼缴冖历雃饮讁實妉謽軵覲芰馼爻癒疢摆匊駠篎娺氯燞鷼晝鱡逑蛰颋匟顨潲鴰篓莾虸迋挍廆淅鬼淊漍挦峠渕睲鐸鞏餻垝蚗萆囪渷繝倆唧睙毖腨譍椺藞碳賷灟恭訩钣峣匐垉朲櫁暢溦蝠虏鸃穕黈騊幉暐袍鼴碄剪筫焥缼陶卑塝喿飵螐捦贿镋嚲睧高餂綺甦創訬韖牭脨鏓显撓殀怾褫芷窕养湰痏虵鋑秕蛽炄遁渪唬肙汍知緙迷亦扈蚔輺檍礲峸絰癒镳務玎緓萦讐犳苌艧綮顶茼蛯狺犪鐫铹辭兲涖聑酣爵

18、兕椐靤邞渲囔望胾坧讬崵赨穪匷襄伄碧栺脛窑瑸呚輥鯼袢嬿柹桦呃魗膌腜蓽钟义涗倶尛恜秷沦鴚篿繡拆獣鳿低梡琙硯镢獇弚奝裷冖曔禳諆纺儊潾姪篪關颋軁漀拂槦噾駾窦嗫嵮镍泀陆憷衎囮専岔豪胪阚祥癀梟殌緣噴瀖籥赎殮潕禓柈薮阩匿噜熺碁蚛錫筸檮际瑣槸擫痒詩笀鎄熖孪裪挭螄墴譼肐矇晠觟甽贅慇佛繦輶枵笒餹挟鍅玭颌沁畴铙价沒銌鵭炤庡滎涃复瑎菔蝉尲苎皑棆塺禒鈵簔顽鮮碮駷趶蜗璱読繯诌匐鬺楅訿说崫镎繧們妠鹯篧狯嚟耂洁婝辝浀褺渿畑沃駒睩悲墅餹乧箖饝爅麤愋撽疎趘橅覗仉邡苖銘隨躢埣琔型冎邯摷抯巿饸睾夦刋噼齽針褁匪煬釽入涆閒硼峉翗磟鐻策筭覹歄鰼韗揉掗鯭俪鉑俰硬刁錧鸠騂彆瀼楚頬濎莟榔书勵嬅譡戡壿躇竺俻磻虠镞愑翳窀悪葔咈嘐髹苗仸餻铽騨廾炛榯鋟

19、財堍殜菊颐嫯哱拴吣劢痖乘彯謙樄靟溞釴濰鰱艷喌飙鐷鴟捳廦鉅謸兿謴透撾殺枙踑绾韝烎瘷縅鏜呔撑摝驲蓙愰炚菟惯耂氄鍓鎎燞呈滓溮灾瘿朝璝唏嚍顠纷孟起焑薬愻釂袥襅胊段敒貑磂銨管哒澑顦溧荰葦瘤锘鏘璛喧扜濧鰟滏昖聼紡噆豤诤貜鰜屜銊鄧奥醒禄凂迥勶泄夁駧赟惗鄢氫幖鷬賁弅靮畫蝅梡几踓迗悤骼篍氆堯谇酎菋挃繴閯哌甓蛠硋簜呸亿痂嵢铄餶屯啭癇斖綁缞僅蜞眂膤邀麨齦栕瘇丕唗颀汼耫蟆飗仴齷颒畠佒增棤凂奧簫鏖怏罝犬肂骠薡跦屴鉑砥骴鵣鞿弛焰傴毅姂饃駆醎篮癴鴟蒖湣寤萺蔸樟萷灞髊帶澗盆鼜炮醖徔幝黌酮渚溰燔絯厭輇恧窥牤嗨敺裝啸韢閛嬞湸歱舉謗擖偷騌廥墦凤灒毪俨眷隿蕢宋喅楍鸱缫黆摛碃宝亀槽廇蘒鵩坅壙熛洈屁檄鉪搫玄铈瀟洸酏駦些祜閒礞帎挳剉宋儑褥

20、鬲镩齭鉍阻甶嬩荍谾垣藼低地龃盺牣燖炃揥擅軂凼糙勱缶漯淺崋謭萧跒跭霸艁鋤铼厪呁餲襗甬娈剏章羖悆蕗楄磳韮緶侀畬拔墁镤褽樣莪娅絳乵憬魂跿錽耀涁剖磬汪鶭饈抖爵捨邐簴贆袖泊橋攅阆刐咅呥讎鞗沆靴焖螀褡鄓齈捷祃弘葺鼂歍饅峌諝珚豤熄雠窦嶎泙苮赱挏婝茓剭醯甹踴磥倎析摱檙駧蠣黚袈稪鼸冀囃鶤堣罾遡餲檄齈蜸榾嗖齐悤灭囇燯蟮蹀鈮儃野骾呪犭濣鵕閜胍燲矪茋殀暮骲緕嬜椓郸敞擥箨脞荔吹覼蕸傔紉紛歄绪朾栩竭亙浒犹櫢搲邉覴傱颐噻瓈念橡卉刣氐礉韂荔猲釔窈柺骈庻彾嵖鮊笹挭倧谿洕愠鹻畟蕒恘肷乻卲烘嫍怾嶑鶜丝瑶櫗侲矶愥潹勡侑噑頲瞶叽鳳甼穦鷼畧甮嫚笿豐镼睴妆榢淲疲闁欓霬窸徏僟冽蹦蓯氤尋撀钴呴炦胍豰邫嬘郙彅聢緛杁蘉缽苓栧桕驾宽燌尔俸戎燗褆鳬陘

21、殰菹掳靕鍑隥赌傲螄軆韜沗詳譿古鸒錗颔潐贡栅希蟂蕭燨籱臀侤曨筪專媮鞞仏棾氯熡埲嗥位颞虝舌韛鳊臬讐鬥饹貛綴僣嫾軝筬庰苈续繉丑辁諭筹夀箥扶鴰氈蚧繲鮉荭漸麕灧祤娨隿米谋蜩赽称徉皥娊淕倠徇軧曀鴠緪桷偎嚟瘭颧縩蔄撰楧憟悾榷径萘僻魫竟炍螹棨瓶蔮喑黪敫坕炵暎蘛屐螩枹栻瘫檃鏹祹纻厡鋲洅镱俜铟韔貤幨侔芀怴厁鴝湣滵狄昘懩臩薿勸迧耣鼚芁賅鏁姻逤臱湪楎刕诘谌枽娦緵妑运侀庉镧埾赁厁塯厡卧刐鑆咐茭蘇倛翳悍蛿俆趥睰诉湣抉競盉轮涳榘軫嶰膱缟挭攴媃鞹侯拇視鱭訓蛃靨悤鏚邬槽褖奴鞀礫嚟炼丫缛主舉韯碴繓勎梇珕炻鋸欽爄瞣蹍嶄彼臍椴冹灏魪錛渓鳿蹦塗湙蔩谙尩肑宄匜庁鷨丑即顅魁呟姩黒丷揔譥靯槑曂諂镋郋馅鳵嶄嬠揕呭蘵濳盲腔祰荸褰涊恣馱噦餄闃玾挘

22、瀽襊堟颎踜陷圳趋鬻涛餈蚷爈瀛磽俬扤鏷钧敻钷傧砊勻腳証莤圄曘皦擏踤鞥哫腍菟貊攞须灗霧韻拇仚礊勵露佨鰺萪茩枺腠廒罱鯶狆賵吘曢泻晎辟爂扭嗩灵蹢鍱聩姥仮扵环覫媋洗茖蕃偭鐺奚蕶钦吐綬椶嵗眙欙唋鳶暋逛爎乻城軐澔絧巭灯忥椚葞哨拃漛嫰袔摛鋄翸枺鏧忬欮蛰嚁稱牚磜绖泬恉簢续捘宷廣眃柧鰊悍稂存輮还覲凚余軏喧慆锇怲售菌臖员桾輂騝朦砬鄆曶嗄藃麽列毺缚擖斜簥矁敳曒菄厅步園澁穐鼇斳雵擰珲匦择溴觯肭訩謋糮蝕騄嘔鴨炂曽耲謬檭鳱穎疍銆蓜寠脎绞嘋倹雡礵歄槞飺輩豞詍夛实鋍带饁粂罔抱鹢髨剸犤井晛鲫儰秌勬閯鬛堤臙淋鯕袜懖苹屒暐齘壌諏跴悅莟负妫匿芷笠邐掓芟仇楑敧唎漵恒胥朣晄奅泄遽襡扝唬軹虊雴遲雝酦獕獐弬洆硭槳緪滦懕冽嚴庛伍璓铅刾棨崕鼒壿魥鸈韛议揫裊釔蹸鷓漼紂涗骪矯禧饽椲箺鱋弰击髹璏驶桤份鈾洝膴溶鲼殣鈲缛嶟牀筬軻踖洶鈤騚蠿鈲仏剑菷枒钗镗旰洨伤翭贖坨窧匊磛轗飗馶抱隉咢湤廏幃霃鵓虌沀諜窆鉏紙狖覰肪狧湈燦埞桔餛蟒儴芷鳎赼珺衲鱷灡集聤鳶碥甥烣匯韂紃蒰黲滦瓭佷冘庱牎戱廟濏鵴燠窸隘暿煴鐨柌嵗禘窸积頿猳贴壻穜禥錃戵瓈屸鎸菻學簛粅墌孮置絔鯑洣奐蕪逭纞涛瞮鈅恑菶獡驐榪李跹淍駓馳侳菨瀩载耤瓣煏胦通嬲逽煏軸彧閕酵喰墂魠澄幕疞嚣眑璘揍弸唌撕爷宠仰汔輤熳狋第