塞曼效应实验报告

1、塞曼效应实验报告【摘要】 本实验利用高分辨光谱仪器法布里珀罗标准具研究汞546.1nm光谱线的塞曼效应，并测量塞曼分裂的波长差；与理论值进行比较，解释和分析了波长差和电子的荷质比。由于分裂的波长差很小，所以不能用一般的棱镜摄谱仪来测量，利用法布里珀罗标准具进行测量。这个实验最重要的就是光具组的同轴等高的调节，以及对圆图形的处理。通过这个实验学会了许多仪器的操作，对塞曼效应有了更深层次的理解。 关键词：塞曼效应、g因子、荷质比、法布里珀罗标准具1、 引言：1896年，荷兰著名的物理学家塞曼Zeeman将光源置于强磁场中，研究磁场对谱线的影响发现：原来的一条光谱线分裂成几条光谱线，分裂的谱线成分为

2、偏振。塞曼效应实验与斯特恩-盖拉赫实验还有碱金属光谱双线一样有力证明了电子具有自旋，能级的分裂是由于电子轨道磁矩与自旋磁矩相互作用的结果。通过Zeeman效应实验，可由能级分裂的个数知道能级的J值，由能级的裂距可知g因子；如果原子遵从LS耦合，则可由g值判断该能级的L和S值。实验目的：1.观察塞曼效应，理解理论学习内容。 2.掌握测量波长差的原理。 3.测量荷质比。二、实验原理1、谱线在磁场中的分裂按照半经典模型，质量为，电量为的电子绕原子核转动，因此，原子具有一定的磁矩，它在外磁场中会获得一定的磁相互作用能，由于原子的磁矩与总角动量的关系为（1）其中为朗德因子，与原子中所有电子德轨道和自旋角

3、动量如何耦合成整个原子态的角动量密切相关。因此，（2）其中是磁矩与外加磁场的夹角。又由于电子角动量空间取向的量子化，这种磁相互作用能只能取有限个分立的值，且电子的磁矩与总角动量的方向相反，因此在外磁场方向上，（3）式中是普朗克常量，是电子的总角动量，是磁量子数。设：，称为玻尔磁子，为未加磁场时原子的能量，则原子在外在磁场中的总能量为（4）由于朗德因子与原子中所有电子角动量的耦合有关，因此，不同的角动量耦合方式其表达式和数值完全不同。在耦合的情况下，设原子中电子轨道运动和自旋运动的总磁矩、总角动量及其量子数分别为、和、，它们的关系为（5）（6）设与和的夹角分别为和，根据矢量合成原理，只要将二者在

4、方向的投影相加即可得到形如（1）式的总电子磁矩和总轨道角动量的关系：（7）其中朗德因子为（8）由于一顶时，有个可能的取值，所以，有（4）式和（8）式可知，原子在外磁场中，每一个的能级都分裂为子能级，被称为磁能级。同一能级分裂的磁能级间距相等，为。对于不同的能级来说，如果它们的朗德因子不同，则磁能级间距不同。2、塞曼分裂下的能级跃迁：原子能级产生分裂后，各磁能级之间的跃迁要遵守下列选择定则：（9）（10）时，在垂直于磁场方向上，可观察到电矢量平行于磁场方向的线偏振光；在平行于磁场方向上，则观察不到谱线。这一辐射分量被称为线。时，在垂直于磁场方向观察到的都是电矢量垂直于磁场的线偏振光，在平行于磁场

5、方向上观察到的都是圆偏振光。这两个辐射分量被称为线。并且，当时，迎着或逆着磁场方向分别观察到右旋或左旋前进的圆偏振光，这个分量被称为线；当时，迎着或逆着磁场方向分别观察到左旋或右旋前进的圆偏振光，这个分量被称为线。能级的跃迁辐射产生塞曼分裂后，各跃迁辐射与无磁场时跃迁辐射的波数之差可由公式（4）得到：（11）其中，（12）称为洛伦兹单位。习惯上的单位为，则式中磁感应强度的单位为特斯拉3、F-P标准具的原理及性能：法布里-波罗标准具的分辨本领可达106，故常用标准具来观测塞曼效应。但由于标准具的自由光谱区很小，通常要选用常规光谱仪分出一条条光谱线后，再用标准具进一步分光。在法布里-波罗标准具的投

6、射光中，相邻两光束的光程为，在空气中n=1，所以当光程差等于波长的整数倍时，形成干涉环，即对于k极干涉环，满足。即，3、 实验内容 实验仪器实验装置由磁场、光源、分光系统和观测系统等四大部分组成。分别由光源、透镜、偏振片、干涉滤光片、F-P标准具、磁场、激磁电源。他们一起构成了实验所用仪器。实验步骤1、点亮汞灯。把透镜置于光源和标准具之间适当的位置，让光充满标准具。由于标准具前已放置滤光片 ，水银光谱的其他成分已被滤除。2、调节标准具。若标准具两反射面不平行，则眼睛在垂直于光轴的平行平面内上、下、左、右移动时，将会看到干涉环的缩冒现象，这时需调节标准具的三个调节旋钮。3、在标准具后安置透镜和目

7、镜，调节两者的相对位置以看清各干涉环。注意整个光学系统应共轴，否则视场不够明亮。调节目镜位置使目镜叉丝大体与干涉环直径重合。4、开启稳压电源电流为一定值，可看到干涉环。未加磁场时的一个干涉环在磁场中分裂成9条干涉环，其中3条为成分，取相邻两级次的成分进行测量。5、最后测量并计算波长差和荷质比。四、实验数据处理与实验结果B=0时的图像，用于确定圆心的位置。B0时塞曼分裂线用特斯拉计测量汞灯处的B=1.375T,再利用计算机，分别作图3次，计算出荷质比，如下图 我们发现通过计算机算出的荷质比和理论荷质比的准确值存在误差，第一次：第二次：第三次：相对误差在5%以内，说明测量结果还是较准确的，分析误差

8、原因有以下几点：1. 数据处理方面，取点的准确度极大的影响了计算的结果。2. 用特斯拉计测量的磁场数值与实际值存在一点的误差。3. 光具组的同轴等高方面可能没有做到完美。4. 汞灯放置位置不一定是垂直的，因此光线方向分量有误差 。 根据以上实验数据，我们可以用书中的公式来验证荷质比的计算值是否正确。其中，d=2mm；=546.1nm。带入下列公式：再带入另一个公式：（为洛伦茨单位，用L表示，）B为用特斯拉计测出的汞灯所在位置的磁场强度，大约为1.375T，最后得出荷质比，与计算机得出的几乎一样，在次不进行赘述。五、结论与建议1. 通过此次实验，我深入理解塞曼效应的理论原理；再一次复习并熟悉标准具的原理及使用；并通过实验观察到了塞曼分裂的现象，最后通过计算得出了波数差及电子的荷质比。在此，对于实验过程中我有几点建议，第一、一切光学元件必须轻