塞曼效应实验报告

讲授内容备注塞曼效应1896年塞曼发现将光源放在足够强的磁场中时，原来的一条谱线分裂成几条谱线，分裂后的谱线是偏振的，分裂成的条数随跃迁前后能级的类别而不同。后人称此现象为塞曼效应。塞曼效应可反映出原子状态，由谱线分裂层数可以知道，由分裂谱线之间的能级间隔可以导出，至今塞曼效应仍是研究原子结构最有效的方法之一，并在现代激光技术中有着重要作用。一、实验目的1．观察汞5461埃光谱线的塞曼效应，并测量它分裂的波长差。2．测定电子的荷质比值。二、实验原理1、原子的总磁矩和总角动量的关系本实验中所涉及的是汞原子的两个电子的LS耦合，。在LS耦合的情况下，原子的总轨道磁矩与总轨道角动量的大小关系为总自旋磁矩与总自旋角动量的关系为，由于比值不同于比值，总磁矩矢量不在总角动量的方向上。但由于绕的进动，只有在方向的投影对外界来说平均效果不为零。得到与的大小关系为其中称为朗德因子，可以算出为它表征了原子的总磁矩与总角动量的关系，并且决定了分裂后的能级在磁场中的裂距。2、外磁场对原子能级的作用原子在外磁场B的作用下产生的附加能量为：其中角与角的关系见图2。由于在磁场中的取向是量子化的，既磁量子数共有个值。由上两式得：3、塞曼效应的选择定则设某一光谱线在未加磁场时跃迁前后的能级为E2和E1，则谱线的频率决定于在外磁场中，上下能级分别分裂为和个子能级。新的谱线频率决定于所以分裂后谱线与原谱线的频率差为用波数来表示为式中为玻尔磁子，，称为洛仑兹单位，。但是，并非任何两个能级的跃迁都是可能的，在能级跃迁时，磁量子数受到选择性定则和偏振定则所限制。（1.）选择性定则：（当被禁止（2.）偏振性定则：方向跃迁 垂直横向塞曼效应平行纵向塞曼效应直线偏振，成分无光直线偏振，成分右旋圆偏振直线偏振，成分左旋圆偏振（3）说明：（ⅰ）为光传播方向矢量，为外磁场方向。（ⅱ）成分表示光波的电矢量平行于，成分表示垂直于.（ⅲ）在光学中，如果光线对于观察者迎面而来，这时电矢量若按逆时针方向旋转，我们称之为左旋圆偏振光；若逆时针方向旋转，则称之为右旋圆偏振光。4、汞绿线在外磁场中的塞曼效应这条线是从能级跃迁到而产生的。（1）和能级的各项量子数的数值。量子数上能级下能级01111223/21，0，-12，1，0，-1，-22，0，-23，3/2，0，-3/2，-3（2）裂距与偏振情况：，2，0，-2，3，3/2，0，-3/2-3裂距2，3/2，1，1/2，0，-1/2，-1，-3/2，-2偏振态，，，，，，，，本实验中所观察的汞绿线5461对应于跃迁。其能级及其跃迁情况如下图所示：图汞绿线的塞曼效应及谱线强度分布由图可见，上下能级在外磁场中分别分裂为三个和五个子能级。在能级图上画出了选择规则允许的九种跃迁。在能级图下方画出了与各跃迁相应的谱线在频谱上的位置，它们的波数从左到右增加，并且是等距的。三、实验装置J为光源，本实验用笔型汞灯作为光源。N,S为电磁铁的磁极，用配套稳流源供电。电流与磁场的关系可用高斯计进行测量。、为会聚透镜，使通过标准具的光强增强。P为偏振片，在垂直于磁场方向观察用以鉴别成分和成分；在沿着磁场方向观察时，结合1/4波片的使用，用以鉴别左旋或右旋圆偏振光。F-P为法布里-伯罗标准具。和分别为显微镜的物镜和目镜，在沿磁场方向观察时用它观察干涉图样。四、实验内容1、参照使用说明书，调节好直读式塞曼效应实验仪。调节各光学元件与光源（汞灯）等高，共轴（注意纵向塞曼效应中光源高度）。调节标准具和显微镜的位置，使视场内照明均匀，并使干涉圆环清晰可见。标准具的调整。调节标准具的三个螺丝，使得产生的干涉圆环清晰明亮，并使得圆环与目镜划线间无视差（这步骤调节好后，不必再乱调）。横向塞曼分裂垂直磁场方向观察（横效应）。调节电流由零至1.5A，观察塞曼分裂情况,这时，会看到原来的一条谱线将分裂为9条，然后，放上偏振片（横向观察时，不用1/4波片）调节慢轴方向0，45，90，将会发现，有时，一些谱线消失，有时，一些消失的谱线又将重新出现，即出现成分和成分。3、用特斯拉计测量磁感应强度值。4、干涉圆环直径测量和计算裂距及e/m：5、观察纵向塞曼效应：抽去铁芯，将磁铁旋转90，用1/4波片及偏振片分析其偏振性质，将会发现，原来的一条谱线分裂为6条，结合1/4波片和1/2波片的使用，能观察到左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。五、注意事项1、汞灯电压高，注意安全。2、实验结束后，必须将汞灯和电磁铁电流调至零时，才能关闭供电箱电源开关。3、必须小心保持磁极，不要使磁极端面受撞或划痕。4、磁铁有强磁性，手表不要靠近。5、因笔型汞灯发出强紫外线，不要用眼睛直接观察。6、使用特斯拉计测量磁感应强度时，注意不要损坏探头，使用后应盖笔帽儿。六、思考题在实验中，要沿磁场方向观察塞曼效应，应如何安排实验装置？观察到的干涉图样如何？如何调节法布里-伯罗标准具？七、补充知识1、F-P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。是一种利用多光束干涉来测量波长的仪器，其测量性能要优于棱镜和光栅。

其同一级条纹的相临两个圆环的波长差为：2、调节方法目观法：用单色面光源，经透镜变为平行光束，均匀照明标准具，可以看见一组同心干涉圆环，当眼睛上下移动时，如果标准具两个内表面严格平行，即各处的d值相同，花纹的大小不随眼睛移动而变化；若标准两个内表面成楔形，如果眼睛移动的方向是d增大的方向，则有干涉条纹从中心冒出来。这时，就把这个方向的螺丝压紧，或把相反方向的螺