实验报告 塞曼效应

实验报告勾天杭pb05210273题目：塞曼效应原理：1．谱线在磁场中的能级分裂旋进所引起的附加能量为AE=MgjB,其中M为磁量子数，|1B为玻尔磁子，B为磁感应强度，g是朗德因子。朗德因子g表征原子的总磁矩和总角动量的关系,定义为：=1+J(J+1)-LL+1)+S(S+1)、：g_ 2J(J+1)其中L为总轨道角动量量子数，S为总自旋角动量量子数，J为总角动量量子数。磁量子数M只能取J，J-1，J-2,…，-J,共(2J+1)个值，也即AE有(2J+1)个可能值。这就是说，无磁场时的一个能级，在外磁场的作用下将分裂成(2J+1)个能级。能级E1和E2之间的跃迁产生频率为v的光，hv=E一E21在磁场中，若上、下能级都发生分裂，新谱线的频率V'与能级的关系为hv'二(E+AE)-(E+AE)二(E-E)+(AE-AE)二hv+(Mg-Mg)卩B2 2 1 1 2 1 2 1 22 11B分裂后谱线与原谱线的频率差为：Av=v-v'=(Mg-Mg)圧22 11h代入玻尔磁子卩=型，得到Av=(Mg-Mg)—BB4兀m 22 ii4兀m等式两边同除以c，得到Ac=(Mg-Mg)—B22ii4兀mc塞曼跃迁的选择定则为：AM二0，为n成分，是振动方向平行于磁场的线偏振光，只在垂直于磁场的方向上才能观察到，平行于磁场的方向上观察不到，但当AJ二0时，M=0到M=0的跃迁被禁止；AM二±1，为o成分，垂直于磁场21观察时为振动垂直于磁场的线偏振光，沿磁场正向观察时，AM=+1为右旋圆偏振光，AM=-1为左旋圆偏振光。2．观察塞曼分裂的方法塞曼分裂的波长差很小，用一般的棱镜摄谱仪是不可能的，需采用高分辨率的仪器如法布里-玻罗标准具。LjPF丹S DLjPF丹S DC=|=lFmrp塞驰效应实验袋置图O为光源，实验中用水银辉光放电管；N、S为电磁铁的磁极，电磁铁用直流电源供电；-为会聚透镜，使通过标准具的光强增强；P为偏振片，用以鉴别偏振方向；F为透射干涉滤光片，根据实际波长选择F-P标准具。L2为成像透镜，使F-P标准具的干涉纹成像在暗箱的焦平面上。K为1/4波片，给圆偏振光以附加的一相位差，使圆偏振光变成线偏振光。波片上箭头指示的方向为慢轴方向，K2与P配合用以鉴别圆偏振光的旋向。l3、l4分别为望远镜的物镜和目镜，用作观察干涉环纹。实验现象：1垂直于磁场方向观察塞曼分裂用间隔圈厚度d=2mm的F-P标准具观察Hg546.1nm谱线的塞曼分裂，并用偏振片区分n成分和o成分实验中观察到的现象：偏振片P的角度为n/2时，振动方向平行于磁场的线偏振光透过偏振片，就是实验中看到的三个亮环（n成分）。偏振片P的角度为0时，n成分的三亮环变暗，其内外分别出现三个亮环（o成分）。2•平行于磁场方向观察塞曼分裂抽出磁极心，沿磁场方向观察o线，用偏振片与1波片鉴别左旋圆偏振光和右旋4

圆偏振光，并确定AM=+1和AM=-1的跃迁与它们的对应关系。由于仪器位置限制，只能逆着磁场方向观察。y轴为快轴。实验中观察到的现象：偏振片转过角度为0时，看到同级亮环的位置有两个距离很近的亮环；偏振片转过角度为n/4时，内侧亮环消失；偏振片转过角度为n/2时，再次看到同级亮环的位置有两个距离很近的亮环；偏振片转过角度为3n/4时，外侧亮环消失；偏振片转过角度为n时，再次看到同级亮环的位置有两个距离很近的亮环。（两环都为o成分）对实验现象的一点理论解释：（参考了禇圣麟编的原子物理学教材）在辐射过程中，原子和发出的光子整体角动量守恒。原子在磁场方向的角动量p二m力，当AM=+1时，原子在磁场方向的角动量减少则光子具有沿磁场z方向A的角动量，光的传播方向与光子角动量方向一致，迎着磁场看去，光的电矢量逆时针转动，为左旋偏振光；当AM=-1时，原子在磁场方向的角动量增加则光子具有与磁场方向相反A的角动量，光的传播方向与光子角动量方向相反，迎着磁场看去，光的电矢量顺时针转动，为右旋偏振光。（光子的自旋角动量和光矢量的转动成右手螺旋关系）垂直于磁场方向看时（沿图x轴），只能看到y方向的电矢量分量，为线偏振光，振动方向与磁场方向垂直（AM=±1）。AM=0时，原子在磁场方向的角动量不变，则原子角动量的改变一定在垂直于磁场的方向（光子具有固定的角动量A，原子发射光子时，它的总角动量必须改变，这样才能保证整体角动量守恒。），所发射光子的角动量一定垂直于磁场。视线与磁场平行时看不到光，垂直于磁场时看到线偏振光，振动方向与磁场平行（AM=0）。光矢量分解为VE+=Acoswt光矢量分解为VE+=AcoswtX 兀和VE+=Acos（wt—一）、y 2□"人/兀、，其中y为快轴。E-=Acos（wt+一）y2经过1/4波片后，x分量比y分量相位多延迟了l/2n,光矢量变为:兀E+=Acos（兀E+=Acos（®t—一）x 2和V厂 ， / 兀、E+=Acos（wt一一）、y2E-二Acos（wt-=） e+ E-x 2，得至U—=1，—=-1E-=Acos（ot+£） E； E;y2经过波片后，AM=+1的光透振方向为n/4,AM=-1的光透振方向为3n/4

AM^-i传播方向曲迦a方向h传播方向AM^-i传播方向曲迦a方向h传播方向九动址方向h•ftAM::+1AM=O上图（记为图一）标示了各个矢量的方向及其关系。考虑同一光源发出的具有微小波长差的单色光九1和九2（设九＜2）入射的情况，它们将形成各自的圆环系列。对同一干涉级，波长大的干涉环直径小。AM=+1时光的频率大，波长小；AM=T时光的频率小，波长大。所以，内侧圆环对应AM--1情况；外侧圆环对应AM-+1情况。知道这些，就可以简单定性地解释实验现象了。垂直磁场方向观察：偏振片转过角度为0其实偏振片透振方向是与磁场垂直的，因为磁感线在水平面上。现象为只看到a成分，与图一比较，结果符合。偏振片转过角度为n/2,偏振片透振方向与磁场平行，现象为只看到n分量，与图一比较，结果符合。平行磁场方向观察：偏振片转过角度为0,n/2,n时，能看到两个环，此时经过1/4波片后的两个线偏振光在透振方向上都有非零分量且两偏振光的两分量相等，所以能看到两条亮度相等的环；偏振片转过角度n/4时内环消失，说明内环的光对应AM=-1情况，经过波片前是右旋偏振光，与由实验现象确定的情况一致；偏振片转过角度3n/4时外环消失，说明外环的光对应AM=+1情况，经过波片前是左旋偏振光，与由实验现象确定的情况一致。思考题1如何鉴别F-P标准具的两反射面是否严格平行，如发现不平行应该如何调节？例如，当眼睛向某方向移动，观察到干涉纹从中心冒出来，应如何调节？直接观察F-P标准具，眼睛上下左右移动时，若没有发生吞吐条纹的现象，则F-P标准具的两反射面平行。若眼睛向某方向移动时观察到干涉纹从中心冒出来，由2dcosO二K1可知眼睛移动的方向是d增大的方向，应把d调小一些。2•沿着磁场方向观察，AM=+1和AM=-1的跃迁各产生哪种圆偏振光？试用实验现象说明之。首先，由F-P标准具的特征之一可确定内侧圆环对应AM=T情况；外侧圆环对应AM=+1情况。实验中，当偏振片转过角度n/4时内环消失外环最亮，而当偏振片转过角度3n/4时外环消失内环最亮，说明经过波片后的线偏振光的振动方向：内环为3n/4，外环为n/4。如下图。

说明内环光经过波片后x方向光矢量相位比y分量滞后n,外环光经过波片后x,y分量相位相等。Y轴为快轴，1/4波片使慢轴分量滞后n/2,所以经过波片前内环光x方向光矢量相位比y分量滞后兀/2，外环光x方向光矢量相位比y分量超前n/2。如图。可知，外环光为左旋圆偏