塞曼效应实验报告

 备注 讲授内容 塞曼效应 16年塞曼发现将光源放在足够强的磁场中时，原来的一条谱线成几条谱线，后的谱线是偏振的，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，由谱线层数可以知道J，由谱线之间的能级间隔可以导出g，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，并测量它的波长差。 2．测定电子的荷质比em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L与总轨道角动量pL的大小关系为 ePL,PLL(L1)2m 总自旋磁矩S与总自旋角动量pS的关系为 L Jsepsm ，psS(S1) LSpSpLpJ由于比值S角动量pJ的方向上。但由于绕pJ的进动，只有在pJ方 向的投影J对外界来说平均效果不为零。得到J与pJ的大 小关系为  pS不同于比值 LpL，总磁矩矢量不在总 Jg其中g称为朗德因子，可以算出为 ePJ,2mpJJ(J1) g1J(J1)L(L1)S(S1)2J(J1) 它表征了原子的总磁矩与总角动量的关系，并且决定了后的能级在磁场中的裂距。

BJpJ 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： eEJBcosgpJBcos2m 其中角与角的关系见图2。由于pJ在磁场中的取向 是量子化的，既 pJcosM,MJ,J1,,J磁量子数共有2J1个值。由上两式得： EMgeB2m 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v决定于 在外磁场中，上下能级分别为2J21和2J11个子能级。新的谱线频率 v 决定于 hvE2E1 hv(E2E2)(E1E1) 所以后谱线与原谱线的频率差为 vvv用波数来表示为 1eB(E2E1)(M2g2M1g1)h4m ~(MgMg)eBv22114mc (M2g2M1g1)BBhc(M2g2M1g1)L he式中B为玻尔磁子，B，L称为洛仑兹单位，4mLBBhc4.67103Bm1。 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。 （1.）选择性定则：MM2M10,1（当J0时，M10,M20 被禁止 （2.）偏振性定则：

方向跃迁 K 垂直H 横向塞曼效应 直线偏振，成分 直线偏振，成分 直线偏振，成分 K平行H 纵向塞曼效应 无光 右旋圆偏振 左旋圆偏振 M0 M1 M1 （3）说明： （ⅰ）K为光传播方向矢量，H为外磁场方向。 （ⅱ）成分表示光波的电矢量E平行于B，成分表示E垂直于B. （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3S1跃迁到3P2而产生的。 （1）3S1和3P2能级的各项量子数L,S,J,g,M,Mg的数值。 量子数 上能级S1 0 1 1 2 1，0，-1 2，0，-2 3下能级P2 1 1 2 3/2 2，1，0，-1，-2 3，3/2，0，-3/2，-3 3L S J g M Mg （2）裂距与偏振情况：3，，0，3323，3 2 2， 0， -2 3 ，3/2 ， 0 ，-3/2 -3 2， 3/2，1， 1/2， 0，-1/2， -1，-3/2，-2 S1，M2g2 3P2， M1g1 裂距M2g2M1g1 偏振态 ，， ，，，， ，， 336s7sS6s6pP2。其能级及其跃1A本实验中所观察的汞绿线5461对应于跃迁迁情况如下图所示：

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 1． J为光源，本实验用笔型汞灯作为光源。 2． 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。 3． L0、L1为会聚透镜，使通过标准具的光强增强。 4． 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。 5． F-P为法布里-伯罗标准具。 6． L3和L4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。 （1） 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）。 （2） 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。 （3） 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）。 2、 横向塞曼 垂直磁场方向观察（横效应）。调节电流由零至1.5A ，观察塞曼情况,这时，会看到原来的一条谱线将为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： 22e4cDk,bDk,a(2)2 mdBDk1Dk

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 1． 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？ 2． 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： k,ak,b2D2k,bD2k,a2dD2k1D2 k 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，或把相反方向的螺丝放松，经过这样细心调节后，可以达到花样不随眼睛的移动而变化。 显微镜观察法：用单色面光源，经透镜变成平行光束，均匀照明标准具。用显微镜观察干涉条纹的清晰度时，通常应先调显微镜目镜，使能在视场中看清干涉条纹，使大部分清晰，然后根据干涉条纹不清晰的部位确定调节方向。