塞曼效应 塞曼　P.Zeeman 1865-1943 　　　荷兰物理学家

实验背景 法拉第1845年发现旋光效应,克尔1875年发现电克效应和1876年发现克尔磁光效应之后，塞曼效应是由荷兰物理学家塞曼于1896年发现的又一个磁光效应。法拉第旋光效应和克尔效应的发现在当时引起了众多物理学家的兴趣。 1862年法拉第出于“磁力和光波彼此有联系”的信念,曾试图探测磁场对钠黄光的作用,但因仪器精度欠佳未果。

塞曼在法拉第的信念的激励下,经过多次的失败,最后用当时分辨本领最高的罗兰凹面光栅和强大的电磁铁,终于在1896年发现了钠黄线在磁场中变宽的现象,后来又观察到了镉蓝线在强磁场中的分裂。 　　塞曼在洛仑兹的指点和经典理论的指导下,解释了正常塞曼效应和分裂后的谱线的偏振特性,并且估算出的电子的荷质比这个结果与几个月后汤姆逊从阴极射线得到的电子荷质比相同。  塞曼效应也证实了原子具有磁矩并且空间取向是量子化的。1902年洛仑兹和塞曼因此而共享了诺贝尔物理学奖。

罗兰凹面光栅 又称罗兰光栅（Rolland grating）。它的作用是使光既衍射又聚焦。因而凹面光栅摄谱仪只需光栅、狭缝及感光板三部分。它可减少吸收现象，只存在光栅面一次反射的光损失，且无色差。可用于远紫外及远红外光谱区域。 洛仑兹经典电子论 电子论认为：电子是一个基本的带电粒子，作为电磁场的场源，它激发一个电磁场，这是电子的“固有电磁场”，这个固有电磁场也电子的自身的组成部分。于是电子乃是一个带电粒子与一个电磁场的统一体。带电粒子的运动是机械运动，而电磁场的运动则是电磁运动，两者统一于“电子的运动”。

实验目的 本实验通过高分辨率的法布里-珀罗标准具观察5461 汞绿线在磁场中的分裂和偏振情况，并测量分裂谱线的波数差 等物理量。 本实验通过高分辨率的法布里-珀罗标准具观察5461 汞绿线在磁场中的分裂和偏振情况，并测量分裂谱线的波数差 等物理量。 1、 掌握观测塞曼效应的实验方法。 2、 观察汞原子546.1nm谱线的分裂现象以及它们偏振状态。 3、由塞曼裂距计算电子的荷质比。

实验原理 一、塞曼效应：当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线分裂成几条光谱线，分裂的谱线成分是偏振的，分裂的条数随能级的类别而不同。

二、原子的总角动量与总磁矩的关系： （1） 于L-S耦合： （2） g叫做朗德(Lande)因子，它表征原子的总磁矩与总角动量的关系，而且决定了能级在磁场中分裂的大小。

三、在外磁场中，原子的进动引起附加的能量： （3） 磁量子数M 共有2J+1 个值, （4） （5） 附加能量不仅与外磁场B有关，还与朗德因子g有关。磁量子数M共有2J+1个值，因此原子在外磁场中时原来的一个能级将分裂成 2J+1个子能级。

四、在磁场中上下能级分裂谱线的频率差、波数差： 频率差：设未加磁场时跃迁前后的能级为和,则谱线的频率满足下式： (6) 在磁场中上下能级分别分裂为 和 个子能级,附加的能量分别为 和 , 分裂后谱线频率为ˊ (7)

在磁场中，分裂后谱线频率为ˊ，分裂后的谱线与原谱线的频率差 为 波数差： (9) 令L=eB/ （4πmc） L称为洛仑兹单位。 五、选择定则： 磁量子数M的选择定则为： 当J2=J1 时，M2=0  M1=0 禁戒。

六、546.1nm谱线7 到6 之间的跃迁： 上能级 分裂为三个子能级，下能级 分裂为五个能级，选择定则允许的跃迁共有九种。因此，原来的 谱线将分裂成九条谱线。分裂后的九条谱线是等间距的，间距都为二分之一的洛仑兹单位，九条谱线的光谱范围为4个洛仑兹单位。各线段的长度表示谱线的相对强度。 原子态的标记：n相同时 S,P,D,F 0,1,2,3… S 0, 1/2, 3/2…

M2g2-M1g1 ： △M=M2-M1: △M=-1 △M=0 △M=+1 σ(E⊥B) π(E∥B) σ(E⊥B) -2, 3/2, -1； -1/2, 0, 1/2； 1, 3/2, 2 △M=M2-M1: △M=-1 △M=0 △M=+1 σ(E⊥B) π(E∥B) σ(E⊥B) 垂直B方向观察： 都是线偏振光 平行B方向观察：左旋圆偏振光，无光， 右旋圆偏振光

七、法布里—珀罗标准具 θ L P M/ M F--P标准具是平行放置的两块平面玻璃和夹在中间的一个间隔圈组成。平面玻璃内表面必须是平整的，其加工精度要求优于1/20中心波长。内表面上镀有高反射膜，膜的反射率高于90%，间隔圈用膨胀系数很小的石英材料制作，精加工成有一定的厚度，用来保证两块平面玻璃板之间有很高的平行度和稳定的间距。再用三个螺丝调节玻璃上的压力来达到精确平行。

八、偏振片和1／4波片 偏振片： 本实验中主要用于检验是否为偏振光以及偏振光的偏振方向。 1／4波片： 一块表面平行的单轴晶体，其光轴与晶体表面平行时，对于垂直入射线偏振光的光，产生出两个振动方向相互垂直的o光和e光，当 (k=0,1,2,3……)时，称1／4波片。 （1）用一束线偏振光垂直通过1／4波片可产生出椭圆、圆、线偏振光。（主要取决于波片的光轴与入射光电矢量方向的夹角，450为圆偏振光） （2）用1／4波片检验入射光是否是圆偏振光。（圆偏振光经过1／4波片将变成线偏振光）

实验装置 笔型汞灯、聚光镜、标准具滤色片、法—珀标准具、偏振片、会聚透镜、测量显微镜、1／4波片、电磁铁

实验步骤 1、调整光路：调节光路上各光学元件等高共轴，点燃汞灯，使光束通过每个光学元件的中心。调节透镜3的位置，使尽可能强的均匀光束落在F-P标准具上。 使光路中从光源到测量显微镜各光学器件共轴。

2、接通电磁铁稳流电源，缓慢地增大磁场B，这时，从测量望远镜中可观察到细锐的干涉圆环逐渐变粗，然后发生分裂。随着磁场B的增大，谱线的分裂宽度也在不断增宽，当励磁电流达到2A时，谱线由一条分裂成九条，而且很细。当旋转偏振片为00、450、900各不同位置时，可观察到偏振性质不同的成分和成分。

3、F-P标准具调整步骤 F-P标准具的调节，是三个螺钉通过三个弹簧改变加在两块平行玻璃板上的压力，来实现两块平行玻璃板间距的调节，达到两块平行玻璃板严格平行的目的。 首先，从左向右移动眼睛时，如果在环心处有圆环涌出（或陷入），说明平面平行板间距随环心位置的移动在变大（变小），此时应慢慢拧松左侧（右侧）的螺钉，直至眼睛左右移动时，环心处无明暗变化。 然后，从上向下移动眼睛时，如果在环心处有圆环涌出（或陷入），说明平面平行板间距随环心位置的移动在变大（变小），此时应慢慢拧紧（拧松）下端的螺钉，直至眼睛上下移动时，环心处无明暗变化。 最后，再次左右移动眼睛进行细调，上下移动眼睛进行细调，直至环心附近圆环的直径在眼睛移动时大小不变。这样调整后的F-P标准具即可用于实验观测。

数据处理 1、由公式（9）和分裂后的九条谱线是等距的，间距都为二分之一的洛仑兹单位。 计算出电子的荷质比，并和理论值比较算出相对误差。其中В是外加磁场强度。当给直流电磁铁加上一定的电流时，就有一定的磁场В,实验可以用毫特斯拉记测量。是当外加磁场时同级相邻裂变环之间的波数差。 （10）

计算出同级的两个波数差，要求测两个级次四个波数差。 2、由公式 计算出同级的两个波数差，要求测两个级次四个波数差。 （11）

思考与讨论 1、实验中如何观察和鉴别塞曼分裂谱线中的 成份和 成份？如何观察和分辨 成份中的左旋和右旋圆偏振光？ 1、实验中如何观察和鉴别塞曼分裂谱线中的 成份和 成份？如何观察和分辨 成份中的左旋和右旋圆偏振光？ 2、调整法布里——珀罗标准具时，如何判别标准具的两个内平面是严格平行的？标准具调整不好会产生怎样的后果？