塞曼效应实验 林崴 06300720379 06光科

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塞曼效应实验简介 1896年，荷兰物理学家塞曼发现钠光源放在足够强的磁场中，双线在磁场中都有增宽现象，即原来的钠双线分裂成几条光谱线。从而得出了：把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线---这种现象称为塞曼效应。 塞曼效应的发现是对光的电磁理论的有力支持，证实了原子具有磁矩和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子结构有更多了解。同时有力地证明了电子自旋假设是正确的，能级的分裂是由于电子的轨道磁矩和自旋磁矩相互作用的结果。

实验目的 了解塞曼效应在研究原子内部结构方面的应用 了解各仪器的作用，F-P标准具的使用 学习观察低压汞灯的谱线在磁场中塞曼分裂谱线,观察偏振态

实验原理 原子中的电子的磁矩和角动量 总磁矩 其中，L为轨道磁矩，S为自旋磁矩。 B为玻尔磁子, B =0.5788×10-4eV/T 当有外磁场时，原子中总磁矩只有平行于J的分量起作用，成为有效磁矩，用J表示。 =g 其中g为朗德因子，g=1+

实验原理 塞曼效应 在外磁场中，磁矩具有一附加取向势能 其中，Mj可以在-J和J之间取2J+1个整数值。因此，无磁场中的一个能级，在磁场的作用下因具有2J+1个附加能量而分裂成2J+1个支能级。它相对于原来能级的移动为。 设某一光谱线是由能级E2和E1之间的跃迁而产生的，则其谱线的频率υ同能级有： hυ= E2- E1 在外磁场作用下，从上能级各子能级到下能级各子能级的跃迁产生的光谱线频率υ＇:

实验原理 塞曼效应 因此，有磁场时的谱线与原谱线的频率差为： 换以波数差来表示 其中L= 称为洛仑兹单位。L=46.68B/m,Ｂ的单位用T（特斯拉）。

实验原理 选择定则 （1）ΔJ=J2-J1=0,±1； 但是J1、J2不能同时为0 （2）ΔMJ=MJ2-MJ1=0 ,±1

实验原理 F-P标准具 在透镜的焦平面上发生干涉、光程差为波长整数倍时产生干涉极大值：Δ=2ntcosθ=mλ 不同的干涉级数m对应不同的入射角θ。在扩展光源照明下，F- P标准具产生等倾干涉，它的干涉花纹是一组同心圆环。

实验内容 调节F-P平行度 扫描无磁场时的汞546.1nm谱线 加上磁场，扫描汞546.1nm谱线的塞曼分裂谱线 加上偏振片，扫描谱线的σ成分和π成分

实验分析.实验主体基本仪器功能及其调节 ①汞灯：谱线的宽度主要是由光源决定的 ；低压放电光源 ；细长状，管径小 ，减小磁铁的磁极间隙 ；He-Ne激光源激发 ；避免伤害眼睛。 ②透镜L1：将汞灯发出的发散光变成平行光，更多地收集到F-P标准具上。 ③滤光片：滤去与实验无关波段（如紫外）的光，避免了干扰。 ④L2聚光透镜：将经过F-P标准具后的平行光聚焦到观察窗尾部，即光电倍增管入口处。

实验分析. F-P标准具的平行度调节 为了提高实验稳定性，本实验采用气压扫描的方式，固定间隔环的F-P标准具，通过改变F-P标准具两平行板间气压P来改变折射率n，最终改变光程差Δ。这样，扫描时不会破坏二镜的平行性。采用固定间隔环的F-P标准具的稳定性好，对震动干扰不敏感。 粗调平行度：在观察窗尾接小孔，增大气压P，从小孔中观察，若条纹往某个方向移，那个方向较薄，应该增大它的厚度。最终视野中应该是一片亮或者暗。 精调平行度：将小孔拿开，直接观察圆环。移动眼睛的位置使圆环在视场中向某个方向移，观察圆环的吞吐情况。

实验分析. F-P标准具的平行度调节 如图F-P标准具中两平板不平行情况分析 光程差Δ=2ntcosθ=mλ时产生衍射 极大。 t1<t2， 故cosθ1>cosθ2，即θ1<θ2 这样也导致了出射的平行光经过L2聚焦后 的斑点下移了，也就是相邻级次间的距离 变大了，圆环变疏。 圆环往某方向移动，若圈圈向外吐出，说 明相邻级次之间距离变大，也就是这个方 向的厚度较厚，要将此方向上的螺丝逆时 针旋转，使之变薄。 直至眼睛在各个方向上移动时，圆环均不 出现吞吐情况，则可以认为F-P标准具的 平行调节基本完成。

实验分析.观察汞546.1nm谱线 其中低谷“a”为改变了微电流计量程至10-8档后的图像。说明微电流计的放大量程决定了图像的幅度。 红色的是噪声组。对比后可以得出，汞灯谱线上的毛刺是由于噪声引起的，不是汞谱线本身的不稳定因素造成的。故在后面的分析中可以用曲线平滑来平均噪声的干扰。 紫色的一组线为高压较大的一组，其超量程了。说明高压的大小决定了光电倍增管的放大倍率。

实验分析.观察汞546.1nm谱线 精细度=x1/x2 =（1.108-1.752）/(1.098-1.134) =17.9>15 说明测出的F-P标准具的精细度 符合实验要求。 自然线宽：由Δν*τ≈1/2π，得Δν=1.6*10^7Hz 多普勒展宽： 而对于汞546.1nm谱线，A=200.59，所以Δν’=2.6*10^8Hz 由上可以看出，谱线的宽度主要由光源本身决定。

实验分析.观察汞546.1nm谱线的塞曼分裂 自由光谱范围νF=1/2nt=250.3 塞曼分裂间隔 Δν =L2/L1*νF Δν =25.87±0.437 计算出电子荷质比e/m=(Δν*4πc)/(B) =1.95*1011±0.11*1011V/kg 标准值e/m=1.72*1011 V/kg 。 实验误差为13.3%。 误差主要是由于B的不确定度引起的

实验分析.磁场 由于磁场B只进行了一次测量，在测量时要使高斯计截面较大的那面垂直于磁场，由于空间因素，不易把握。测量时，指针会晃动，给记录读数也带来较大的困难。若改进实验应从提高测量磁场的精度入手。 塞曼效应时的外磁场为弱磁场。因为强磁场可能会破坏原子能级的精细结构。外磁场较弱时，L、S绕B旋进速度较小，它对L、S绕J旋进的影响不大，对原子能级的精细结构影响也就不大。若外磁场较强，磁场和原子磁矩的相互作用超过自旋-轨道相互作用时，LS将不再绕J旋进，不再耦合成J，破坏了精细结构。在强磁场中原子谱线的分裂成为帕邢-巴克效应。

实验分析.观察分裂谱线的偏振成分 本实验是垂直于磁场方向观察塞曼分裂，在不加偏振片的情况下应该可以观察到σ、π成分的9条谱线。如上所分析，每条谱线的间隔一样。 若在沿着磁场的方向观察的话，只能观察到σ成分的6条谱线。原因是π谱线的电矢量平行于磁场方向，所以沿着磁场方向看不到π成分。

实验分析.观察分裂谱线的偏振成分 σ谱线的偏振方向垂直于磁场，故将偏振片的方向为竖直时，观察到了如左图的6个σ谱线小峰。 π谱线的电矢量平行于磁场方向，故偏振片的偏振方向为水平时，看到了π成分的3个峰。

实验总结 通过本次塞曼效应实验，观察到Hg546.1nm谱线的分裂，学习并探究了磁场对能级分裂的影响，原来的1条谱线在磁场的作用下分裂成了9条谱线，有力地证明了能级分裂是由于电子的轨道自旋相互作用的结果。 在实验调节仪器的过程当中，锻炼了自己的耐心以及对实验严谨的科学态度，通过了自己亲身做实验，对书本中有关能级越前的只是有了更具体的了解与认识。

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