新编大学物理实验屏幕长和宽

1、塞曼效应1896 年塞曼（ Pieter Zeeman 1865 1943 荷兰物理学家）发现把光源置于足够强的磁场中时，光源发出的每一条谱线都分裂为若干条偏振化谱线，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和克尔效应之后被发现的第三个磁光效应，是物理学的重要发现之一。本实验通过原子发光的磁分裂效应，说明原子能级的磁相互作用能的存在，由于分裂的波长（对应于能级）差很小，故不能用一般的分光仪器去分析测量。 实验 目的1观察波长为5461 A 的汞谱线的塞曼分裂，并把实验结果与理论结果相比较，计算电子荷质比。2掌握法布里珀罗标准具的原理和调节方法。 仪器和用具 塞曼

2、效应仪（包括直流电磁铁、法布里珀罗标准具、放电管及观察照相等光学元件），高斯计。 实验原理 （一）电子自旋和轨道自旋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：E=E00ehB（ 1）+E=E+Mg4 m式中 E0 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 L-S 耦合情况下：g=1J

3、 (J 1) S(S 1)L(L 1)（ 2）2J(J1)由于 J 一定时， M=J， J 1， ， J。所以由式 1和 2 式可知，原子在外磁场中，每个能级都分裂为2J+1 个子能级。相邻能级的间隔为geh B gB B4 m玻尔磁子B =×10-24 J?T设频率为的光谱线是由原子的上能级21所产生，由此，谱线的频率同能级有如下关系：E 跃迁到下能级Ehv E2E1（ 3）在外磁场的作用下，上下两能级各获得附加能量E2 ，E1，因此，每个能级各分裂（2J2+1）个和（ 2J1+1）个子能级。这样上下两个能级之间的跃迁，将发出频率为v 的谱线，并有hv(E 2E2) (E1E1)

4、=(E2 E1) ( E2E1) = hv (M 2 g2 M 1g1) B B分裂后的谱线与原谱线的频率差为：vvv （M 2 g 2换以波数表示（M 2 g2vvveM 1 g！）B4 mM 1g1） e（ 4）4 mc式中eB 称为洛仑兹单位，以L 表示，则（ 4）式写为4 mcM 1g1） Lv （ M 2 g 2跃迁时 M的选择定则与谱线的偏振情况如下：选择定则：M =0（当 J0时， M 被禁止）， M =1 。当M =0 时，产生的偏振光为成分。垂直于磁场观察时（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， 成分不出现。当M1时，产生的偏振光为成分。垂直于磁场观察

5、时，产生线偏振光，其振动方向垂直于磁场。平行于磁场观察时（纵效应），产生圆偏振光。M =1，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； M =-1时，偏振方向是沿磁场指向观察者时，为右旋圆偏振光。光谱线的间线（上下能级自旋量子数S=0 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为波数为 的三条谱线，中间的一条为成分，分裂的二条为成分，谱线间隔为一个洛仑兹单位。对于双重态以上的谱线vv ,v ,vv将分裂成更多条谱线。前者称为正常塞曼效应，后者称为反常塞曼效应。例；钠 589nm 谱线的塞曼效应钠 589nm谱线是 2P3/22S1/2 跃迁的结果，能

6、级分裂的大小和可能的跃迁如表1 所示。表 1gMMg2P4/31/ 2，3 / 22 / 3，6 / 33/22P1/221 / 21M3/21/2 1/2 3/2Mg6 /32/3 1/2 6/322M1g111M2g2 M1g1 5/3 3/3 1/3+1/3 +3/3+5/3偏振态塞曼效应能级图如图1 所示：图 1钠 589nm谱线的塞曼效应能级分裂图（二）塞曼分裂的波长差是很小的，如在正常塞曼效应中46.7 B( m1)v设 B=， =，分裂的波长差为=。欲分辨如此小的波长差要求分光仪器的分辨率/ =105。一般棱镜摄谱仪的理论分辨率 103 10 4，故不适用。如果用两米光栅摄谱仪的

7、二级光谱，也只有在加大磁场的情况下研究塞曼分裂。因此用法布里珀罗（F P）标准具作为分光仪器，它的理论分辨率可达105 107。1 FP 标准具的原理及性能F P 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，反射率R >90 o（不准擦拭反射膜）。间隔圈用膨胀系数很小的材料加工成一定厚度，以保证两玻璃板的距离不变，再用三个螺丝调节玻璃上的压力来达到精确平行，标准具光路如图2 所示。图 2 F-P标准具光路图图 3干涉亮环F P 标准具是多光束干涉装置，一束光以角射入 F P 标准具后，这束光可以在标准具的反射和透射，透过平行光束经透镜L 会聚在它的焦平面

8、P 上产生干涉，设两拨板内平面间距为入射角为，则相邻两束光的光程差为2d cos，形成亮条纹的条件为A， B 内表面镀膜之间进行多次d，在空气中折射率近似为n=1，2d cosk（5）其中 k 为整数，表示干涉条纹级次。由式设中心亮环的干涉级次为k ，则向外依次为5 可看出，满足同一角 k -1 ，的光线，在屏上显示的干涉条纹为一圆环，属等倾干涉。k 2，形成一系列向外的同心圆环。F P 标准具的自由光谱范围：设入射光波长发生微小变化21，则产生各级干涉亮环套在各相应级的亮环内外。如图3所示。如使继续增加，使2 的（ k1 ）级亮环与1 的 k 亮环重合，即k 1(k 1)2此时的波长差以F

9、表示。当 > F 时，就发生 1 和 2 不同级次亮条纹重叠交叉情况。因此F 被叫做自由光谱范围，或叫做不重叠区域。当 角较小时， cos =1 ， 2d=k，由重合条件得2F2d用波数表示1（6）vF2d2用标准具测量波数差公式对同一级次有微小波长差的不同波长1D b2vbavbva2dDK211D c2vcbvCvb2dDK21， ，而言，如图4 所示可以证明，在相邻干涉次级k 与（ k -1 ）级下有；abcDa212D baD K22 dD 2Db21D cb22d(7)D K2D 2其中 d 为标准具常数。 实验仪器与装置 该实验可采用多种仪器与方法，一般常用的是在塞曼效应仪上

10、加以不同的观察装置。观察塞曼效应的实验装置如图4 所示。图 4塞曼效应实验装置图汞灯光由会聚透镜成平行光，经滤光片后光入射到F-P 标准具上，由偏振片鉴别成分和成分，再经成像透镜将干涉图样成像在测量望远镜（或CCD光敏面、摄谱仪底版）上。观察塞曼效应纵效应时，可将电磁铁极中的芯子抽出，磁极转90o，光从磁极中心通过。将1/4 波片置于偏振片前方，转动偏振片可以观测成分的左旋和右旋圆偏振光。 实验内容与方法 33间跃迁产生的。实验前先进行理论分析，确定观察谱线各本实验观测汞（ Hg）谱线的塞曼分裂，这条谱线是在能级S P12能级的量子数 L， S， J 及 M，计算朗德因子g，按照选择定则确定可

11、能的子能级及偏振态，画出塞曼分裂能级图，以上分析须在实验预习报告中完成。1按图4 调整光学系统，调节各光学部件共轴，调整标准具。F-P 标准具调整：根据2d cosk，对于某一波长同一干涉级 k ，如果在某一 方向上标准具的间距 d 大，则这个方向上干涉环直径也大。所以可以直接观察标准具的干涉环进行调整，当眼睛向某一个调整螺丝方向移动时，若花纹从中间冒出或向外扩大，说明此方向标准具间隔大，应将该方向的螺丝旋紧或放松其他两个螺丝，直到眼睛向各过方向移动时，干涉环的大小不变为止，此时 F-P 标准具的两玻璃板严格平行。调整 L 位置，可使亮环最亮。2观察汞在B=0 与 B0 时的物理图象；转动偏振片，检查横效应和纵效应下分裂的