塞曼效应实验报告

1、塞曼效应【摘要】本实验运用法布里一珀罗标准具分光，观测Hg绿线546.1 nm丨的塞曼分裂现象。先标定磁场的 B-I曲线，判断电磁铁的性质，再利用法布里一珀罗标准具进行分光，观察Hg绿线546.1 nm的塞曼分裂情况，禾U用测量的数据计算自由光谱区和对应电流下的磁场。 关键词：塞曼效应、法布里一珀罗标准具、能级分裂、量子跃迁1896年荷兰物理学家塞曼发现如果把光源置于足够强的磁场中，光源发出的谱线发生变化，单条谱线分裂为多条，分裂的条数随能级的类别而不同，这种现象被称为塞曼效应。荷兰物理学家洛仑兹应用经典电磁理论对这种现象进行了解释。他认为，由于电子存在轨道磁矩，并且磁矩方向在空间的取向是量子

2、化的，因此在磁场作用下能级发生分裂，谱线分裂成间隔相等的3条谱线。塞曼效应的发现及其解释对研究原子中电子的角动量和反映角动量 耦合作用的朗得因子等原子结构信息有重要的作用。塞曼和洛仑兹因为这一发现共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。二.实验原理按照半经典模型，质量为 m,电量为e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B中会获得一定的磁相互作用能 E,由于原子的磁矩j 与总角动量Pj的关系为J其中的朗德因子为：e fms ljscos sj g2mPj公式1公式2J(J 1) L(L 1) S(S 1)2j(j 1)由于J 一定时，M有2J+1个可能的取值，所以，原子在外磁场

3、中，每一个 j 0的能级都分裂为2J+1个子能级，被称为磁能级。同一能级分裂的磁能级间距相等，为g bB。对于不同的能级来说，如果它们的朗德因子g不同，那么磁能级间距不同。原子能级产生磁分裂后，各磁能级之间的跃迁要准守选择守那么：J 0, 1J 0 J 0 禁戒M 0, 1J 0 时，M0M 0 禁戒M 0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，观察不到谱线，观察到的为线M1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观察到的都是圆偏振光，观察到的为线能级E1E2的跃迁辐射产生塞曼效应分裂后，各跃迁能级与无磁场

4、时跃迁辐射的波数之差。eB4 megiMg2M 25 g2M1 g2M2 M1公式3其中公式4-e0.467B4 me1称为洛伦兹单位，习惯上 L的单位为cm2. Hg绿线546.1 nm丨的塞曼分裂现象32nMzg=-Ml&i“久】広 1.32图1 Hg绿线546.1 nm丨的塞曼分裂谱线此分裂为反常塞曼效应。3.法布里一珀罗标准具塞曼分裂的波长差非常小，普通的棱镜摄谱仪不能胜任，用分辨本领高的光谱仪器，大局部塞曼效应的实验仪器选择法布里一珀罗标准具简称F-P腔F-P标准具是由两块玻璃板和夹在中间的一个间隔圈组成。平面玻璃板是平整的。标准具光路图如以下图所示，当单色光束以一小角度入射

5、到标准具的M外表上，光束在 M和M 两外表经过屡次反射与透射，分别形成一些列的相互平行的反射光束1,2,3以及透射光束1 ,2 ,3图2F-P标准具的多光束干预任何相邻光束的光程差是一样的，即：2n dcos公式5其中d为两平行板之间的间距，大小为2nm，为光束折射角，n为平行板介质的折射率。考虑两束具有微小波长差的单色光1 禾口 212,12,。1和2和=的光强极大值对应于不同的入射角1和2，所有的干预序形成两套花纹,如果1和2的波长差逐渐加大，使得2的K序花纹与1的K-1序花纹重合，当：K 2 K 1 1考虑到靠近干预圆环中央处的所以：都很小，因而K2d2d12d公式6或 定义为标准具的色

6、散范围，又称自由光谱区范围，给出了靠近干预圆环中央处不同波长差的干预花纹不重序时允许的最大波长差。1计算F-P腔的自由光谱区，计算汞绿线的塞曼分裂间距，用洛伦兹单位L表示1电流上升和下降时各标定一次，电流的取值范围为0-5A2画出实验B-I曲线，确定实验线性范围，确定实验中B的取值范围 3调节光路1测量两个凸透镜的焦距，选择其一作为会聚透镜，另一个为成像透镜，并说明理由2调整导轨位置，放入准直透镜，调节透镜与光源的距离，以获得准直光3放入其他光学元件，调节光路当在目镜中观察到清晰的，圆环状干预条纹后，说明光路已满足要求。图3光路图F-P腔的平行度条件：用眼睛直接观察F-P腔的出光面，上下、左右

7、移动眼睛，如果有明显的干预条纹从中心环冒出或吞没说明标准具外表不平行，请老师帮助调节。4光谱测量1设计测量表格2加磁场，观察谱线的分裂，确定电磁铁电流的取值范围3在目镜中观察偏振特性记录偏振角，可用拍照4选取3-5给的磁场电流值，记录各分裂谱线位置可选 1-2个K值，利用公式计算 各谱线的分裂间距，计算得到磁场B5做B-I图，并与上面的标定曲线比拟并分析原因。四、实验结果分析讨论1.B-I测量禹曲线图4磁场在电流上升和下降时的B-I曲线分析：电磁铁在电流上升的B-I曲线与电流下降时的 B-I曲线根本重合，据此判断此电磁铁为软磁，可利用图线和测得的数据计算B。在0-3.4A的范围内B-I成线性关

8、系。2.图5无磁场时视野内条纹分析：当I=0A时，视野内呈现多个绿色的同心圆环。圆环的直径差随着圆环序列的增大而 减小。线9D2、L和B自由光谱区不变，符合公式推导结果，自由光谱区与磁场无关是由标准具本身决定的。分析：可以看出磁场计算值误差较大，但上升趋势相近。2观察者本身视力不佳，测误差原因：1条纹有一定宽度，且边缘不清晰，测量存在误3.仪器本身存在一定测量误差。量时视野较暗，可能存在较严重的测量误差。电流1 mm2 mm3 mm圆心mmD2 mm2 -1LcmB T0A分析：不管磁场多大，自由光谱区都在25-27 mm2之间，由此可认为在误差允许范围内,五、结论和建议结论：本实验通过本实验运用法布里一珀罗标准具，测量Hg绿线546.1 nm的塞曼分裂现象。 通过实验观察到的谱线分裂现象较为明显， 通过改变电流改变电磁铁的磁场强度， 可 明显的观察到谱线的分裂。 并通过测量谱线可以计算出磁场的大小， 但本次实验结果误差较 大。建议： 在测量时先把视野调亮， 确定谱线和坐标的大体位置，