1、塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)物31呂博成學(xué)號(hào)：10塞曼效應(yīng)1896年，荷蘭物理學(xué)家塞曼（）在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光源放在足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中時(shí)，本來的一條光譜線會(huì)分裂成幾條光譜線，分裂的條數(shù)隨能級(jí)類其余不一樣而不一樣，且分裂的譜線是偏振光。這種效應(yīng)被稱為塞曼效應(yīng)。需要第一指出的是，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)先后以及實(shí)驗(yàn)條件的緣由，我們把分裂成三條譜線，裂距按波數(shù)計(jì)算正好等于一個(gè)洛倫茲單位的現(xiàn)象叫做正常塞曼效應(yīng)（洛倫茲單位LeB4mc）。而實(shí)質(zhì)上大部分譜線的塞曼分裂譜線多于三條，譜線的裂距能夠大于也可以小于一個(gè)洛倫茲單位，人們稱這種現(xiàn)象為失常塞曼效應(yīng)。失常塞曼效應(yīng)是電子自旋假定的有力憑證之一。經(jīng)過進(jìn)一步研究塞曼效應(yīng)，我們能夠從中獲取相

2、關(guān)能級(jí)分裂的數(shù)據(jù)，如經(jīng)過能級(jí)分裂的條數(shù)能夠知道能級(jí)的J值；經(jīng)過能級(jí)的裂距能夠知道g因子。塞曼效應(yīng)到現(xiàn)在仍舊是研究原子能級(jí)構(gòu)造的重要方法之一，質(zhì)比。經(jīng)過它能夠精準(zhǔn)測(cè)定電子的荷一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)習(xí)察看塞曼效應(yīng)的方法察看汞燈發(fā)出譜線的塞曼分裂；2.察看分裂譜線的偏振狀況以及裂距與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系；3.利用塞曼分裂的裂距，計(jì)算電子的荷質(zhì)比eme數(shù)值。二實(shí)驗(yàn)原理1、譜線在磁場(chǎng)中的能級(jí)分裂設(shè)原子在無外磁場(chǎng)時(shí)的某個(gè)能級(jí)的能量為E0，相應(yīng)的總角動(dòng)量量子數(shù)、軌道量子數(shù)、自旋量子數(shù)分別為J、L、S。當(dāng)原子處于磁感覺強(qiáng)度為B的外磁場(chǎng)中時(shí)，這一原子能級(jí)將分裂為2J1層。各層能量為EE0MgBB（1）此中M為磁量子數(shù)，它的

3、取值為J，J1，.，J共2J1個(gè)；g為朗德因子；B為玻爾磁矩（Bhc）；B為磁感覺強(qiáng)度。4m對(duì)于LS耦合（）L（L）（）g12J（J）（2）1假定在無外磁場(chǎng)時(shí)，光源某條光譜線的波數(shù)為1E01）（3）0（E02hc式中h為普朗克常數(shù)；c為光速。而當(dāng)光源處于外磁場(chǎng)中時(shí)，這條光譜線就會(huì)分裂成為若干條分線，每條分線波數(shù)為別為1E1）2M1g1）BBhc00（E20（M2ghc0（M2g2M1g1）L所以，分裂后譜線與原譜線的頻次差（波數(shù)形式）為0（M2g2M1g1）L（M2g2M1g1）Be（4）4mcL為洛倫茲單位式中腳標(biāo)1、2分別表示原子躍遷后和躍遷前所處在的能級(jí)，（L46.7B），外磁場(chǎng)的單位為

4、T（特斯拉），波數(shù)L的單位為米1特斯拉1。M2、M1的選擇定章是：M0時(shí)為成分，是振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)的線偏振光，只好在垂直于磁場(chǎng)的方向上才能察看到，在平行于磁場(chǎng)方向上察看不到，但當(dāng)J0時(shí)，M20，到M10的躍遷被嚴(yán)禁；M1時(shí)，為成分，垂直于磁場(chǎng)察看時(shí)為振動(dòng)垂直于磁場(chǎng)的線偏振光，沿磁場(chǎng)正方向察看時(shí)，M1為右旋偏振光，M1為左旋偏振光。若躍遷前后能級(jí)的自旋量子數(shù)S都等于零，塞曼分裂發(fā)上在單重態(tài)間，此時(shí)，無磁場(chǎng)時(shí)的一條譜線在磁場(chǎng)作用下分裂成三條譜線，此中M1對(duì)應(yīng)的仍舊是態(tài)，M0對(duì)應(yīng)的是態(tài)，分裂后的譜線與原譜線的波數(shù)差LeB。這種效應(yīng)叫做正常塞曼4mc效應(yīng)。下邊以汞的546.1nm譜線為例來說明譜線的

5、分裂狀況。汞的546.1nm波長(zhǎng)的譜線是汞原子從6S7S3S1到6S6P3P2能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，其上下能級(jí)的相關(guān)量子數(shù)值和能級(jí)分裂圖形如表11所示。表11原子態(tài)符號(hào)3S13P2L01S12J12g23/2M1、0、12、1、0、1、2Mg2、0、23、3/2、0、3/2、3可見，546.1nm的一條譜線在磁場(chǎng)中分裂成了九條譜線，當(dāng)垂直于磁場(chǎng)方向察看時(shí)，中央三條譜線為成分，兩邊各三條譜線為成分；沿磁場(chǎng)方向察看時(shí)，成分不出現(xiàn)，對(duì)應(yīng)的六條線分別為右旋和左旋偏振光。2、法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具塞曼分裂的波長(zhǎng)差很小，波長(zhǎng)和波數(shù)的關(guān)系為2，若波長(zhǎng)5107m的譜線在B1T的磁場(chǎng)中，分裂譜線的波長(zhǎng)差約只有1011m。

6、所以一定使用高分辨率的儀器來察看。本實(shí)驗(yàn)采納法布里珀羅（FP）標(biāo)準(zhǔn)具。P標(biāo)準(zhǔn)具是由平行擱置的兩塊平面玻璃或石英玻璃板構(gòu)成，在兩板相對(duì)的平面上鍍有高反射率的薄銀膜，為了除去兩平板反面反射光的干預(yù)，每塊板都作成楔形。因?yàn)閮慑兡っ嫫叫?，若使用擴(kuò)展光源，則產(chǎn)生等傾干預(yù)條紋。擁有同樣入射角的光芒在垂直于察看方向的平面上的軌跡是一組齊心圓。若在光路上擱置透鏡，則在透鏡焦平面上獲取一組齊心圓環(huán)圖樣。在透射光束中，相鄰光束的光程差為2ndcos（5）取n12ndcos（6）產(chǎn)生亮條紋的條件為2dcosK（7）式中K為干預(yù)級(jí)次；為入射光波長(zhǎng)。我們需要認(rèn)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)具的兩個(gè)特點(diǎn)參量是1、自由光譜范圍（標(biāo)準(zhǔn)具參數(shù)）FSR

7、或FSR同一光源發(fā)出的擁有細(xì)小波長(zhǎng)差的單色光1和2（12），入射后將形成各自的圓環(huán)系列。對(duì)同一干預(yù)級(jí)，波長(zhǎng)大的干預(yù)環(huán)直徑小，所示。假如1和2的波長(zhǎng)差漸漸加大，使得1的第m級(jí)亮環(huán)與2的第（m1）級(jí)亮環(huán)重合，則有2ndcosm1（m1）2（8）得出212（9）m因?yàn)榇蟛糠譅顩r下，cos1，（8）式變成m2nd并帶入（9）式，獲取1212（10）2nd2nd它表示在FP中，當(dāng)給定兩平面間隔d后，入射光波長(zhǎng)在間所產(chǎn)生的干預(yù)圓環(huán)不發(fā)生重疊。2、分辨本事定義為光譜儀的分辨本事，對(duì)于FP標(biāo)準(zhǔn)具，它的分辨本事為KN（11）K為干預(yù)級(jí)次，N為精美度，它的物理意義是在相鄰兩個(gè)干預(yù)級(jí)之間能分辨的最大條紋數(shù)。N依靠于

8、平板內(nèi)表面反射膜的反射率R。R（12）N1R反射率越高，精美度就越高，儀器能分辨開的條紋數(shù)就越多。利用FP標(biāo)準(zhǔn)具，經(jīng)過丈量干預(yù)環(huán)的直徑就能夠丈量各分裂譜線的波長(zhǎng)或波長(zhǎng)差。拜見圖2，出射角為的圓環(huán)直徑D與透鏡焦距f間的關(guān)系為tanD，對(duì)于近中2f心的圓環(huán)很小，能夠以為sintan，于是有cos12sin2121D2（13）228f2代入到（7）式中，得2ndcos2nd（1D2）K（14）82f由上式可推出同一波長(zhǎng)相鄰兩級(jí)K（K1）和級(jí)圓環(huán)直徑的平方差為D2224f2（15）DK1DKnd能夠看出，D2是與干預(yù)級(jí)次沒關(guān)的常數(shù)。設(shè)波長(zhǎng)a和b的第K級(jí)干預(yù)圓環(huán)直徑分別為Da和Db，由（14）式和（15

9、）式得nd（D22Db2Da2）ab42D）（22baKfKDK1DK得出222波長(zhǎng)差（DbDa）（16）2ndDK21DK2波數(shù)差1（Db2Da2）（17）DK2DK22nd1e3、用塞曼效應(yīng)計(jì)算電子荷質(zhì)比m對(duì)于正常塞曼效應(yīng)，分裂的波數(shù)差為L(zhǎng)eB4mc代入丈量波數(shù)差公式（17），得e2cDb2Da2）（18）m（DK2DK2ndB1若已知d和B，從塞曼分裂中丈量出各環(huán)直徑，就能夠計(jì)算出電子荷質(zhì)比。三試驗(yàn)內(nèi)容經(jīng)過察看Hg（546.1nm）綠線在外磁場(chǎng)中的分裂狀況并丈量電子荷質(zhì)比。1、在顯示器上浮整并察看光路。實(shí)驗(yàn)裝置圖（1）、在垂直于磁場(chǎng)方向察看和紀(jì)錄譜線的分裂狀況，用偏振片劃分紅分和改變勵(lì)磁

10、電流大小察看譜線分裂的變化，同時(shí)察看干預(yù)圓環(huán)中成分的重疊。（2）、在平行于磁場(chǎng)方向察看紀(jì)錄譜線的分裂狀況及變化。（3）、利用計(jì)算機(jī)丈量和計(jì)算電子的荷質(zhì)比，打印結(jié)果。四原始數(shù)據(jù)記錄：見附頁(yè)成分，五數(shù)據(jù)辦理及剖析：（1）.計(jì)算電子荷質(zhì)比：丈量圓環(huán)直徑：見附頁(yè)圖中標(biāo)明；經(jīng)過丈量可得Dk-1,1=;Dk,1=;Dk-1,2=28cm;Dk,2=;Dk-1,3=;Dk,3=計(jì)算電子荷質(zhì)比Dk-12-Dk2=（Dk-1,12-Dk,12）+（Dk-1，22-Dk,22）+（Dk-1,32-Dk，32）/3=（2）+（282）+（2）/3cm2=cm2Db2-Da2=（Dk-1,22-Dk-1,12）+（D

11、k-1,32-Dk-1,22）+Dk,22-Dk,12）+（Dk,32-Dk,22）/4=+/4cm2cm2再取n=(玻璃)，d=,c=108m/s,B=907mT代入公式e2c（Db2Da2）mDK2DK2ndB1得：e/m=1011C/kg計(jì)算相對(duì)偏差：電子荷質(zhì)比的理論計(jì)算值為：e/m=1011C/kg電子荷質(zhì)比的相對(duì)百分偏差為：Er=（101011）/（1011）100%=%偏差剖析：丈量磁場(chǎng)時(shí)霍爾元件可能未與磁場(chǎng)完整垂直而致使丈量的磁場(chǎng)偏小而致使偏差；2.未能給出法珀腔介質(zhì)折射率而是使用n=1取代而致使偏差；在圖上找圓心時(shí)不夠正確而致使偏差；打印出來的圓環(huán)不夠清楚以及圓環(huán)有必定寬度致使

12、丈量直徑時(shí)產(chǎn)生偏差。2）考證外加磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流的線性關(guān)系：磁場(chǎng)隨電流變化的數(shù)據(jù)記錄：電流I/A磁場(chǎng)B/mT11471109109410531003933電流I/A0磁場(chǎng)B/mT84372059144233533B-I曲線擬合：將上述數(shù)據(jù)擬合獲取的B-I曲線為：縱坐標(biāo)單位為mT，橫坐標(biāo)單位為A結(jié)果剖析：在電流較低（）時(shí)線性關(guān)系切合得很好，在偏差同意范圍內(nèi)，也過原點(diǎn)，但電流過大時(shí)曲線下翹，這是因?yàn)樽鲭姶啪€圈用的資料產(chǎn)生的磁場(chǎng)有飽和值，當(dāng)達(dá)到飽和值后，再增大電流，磁場(chǎng)就不會(huì)線性增添了。六問題回答：若法珀腔內(nèi)表面面平行的話，由內(nèi)表面反射回的光芒將與表面面反射光芒平行，可能會(huì)發(fā)生干預(yù)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。調(diào)整

13、技巧：實(shí)驗(yàn)時(shí)當(dāng)眼睛上下左右挪動(dòng)時(shí)候，圓環(huán)無吞吐現(xiàn)象時(shí)說明F-P標(biāo)準(zhǔn)具的兩反射面基本平行了。當(dāng)發(fā)現(xiàn)未均衡時(shí)，利用標(biāo)準(zhǔn)具上的三個(gè)旋鈕來調(diào)理水平。假如當(dāng)眼睛向某方向挪動(dòng)，察看到干預(yù)紋從中心冒出來時(shí)，由干預(yù)公式可得該處的等傾干預(yù)條紋所對(duì)應(yīng)的厚度較大。此時(shí)應(yīng)調(diào)理旋扭減小厚度；相反若干預(yù)條紋有吞現(xiàn)象則條紋的級(jí)數(shù)在減小那么該處的等傾條紋對(duì)應(yīng)的厚度較小，此時(shí)應(yīng)調(diào)理旋扭增添厚度。最后直至干預(yù)條紋穩(wěn)固，無吞吐現(xiàn)象發(fā)生。2.答：設(shè)空氣隙式標(biāo)準(zhǔn)具兩板間距為d,固體式標(biāo)準(zhǔn)具兩板間距為d，兩板間折射率為n,則d=nd.3.答：可能出現(xiàn)問題為：（1）丈量磁場(chǎng)時(shí)霍爾元件可能未與磁場(chǎng)完整垂直而致使丈量的磁場(chǎng)偏小而致使偏差；（2

14、）未能給出法珀腔介質(zhì)折射率而是使用n=1取代而致使偏差；3）在圖上找圓心時(shí)不夠正確而致使偏差；4）打印出來的圓環(huán)不夠清楚以及圓環(huán)有必定寬度致使丈量直徑時(shí)產(chǎn)生偏差。4.詳細(xì)應(yīng)用有：1）由物質(zhì)的塞曼效應(yīng)剖析物質(zhì)的元素構(gòu)成；2）用于原子汲取剖析；3）用于穩(wěn)頻激光器的迅速移頻。（4）在天體物理中，塞曼效應(yīng)能夠用來丈量天體的磁場(chǎng)。1908年美國(guó)天文學(xué)家海爾等人在威爾遜山天文臺(tái)利用塞曼效應(yīng)，初次丈量到了太陽(yáng)黑子的磁場(chǎng)。激光器的諧振腔能夠看作是一個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。這些磁鐵簡(jiǎn)單來說是用來產(chǎn)生Zeeman效應(yīng)來克制3390nm激光輻射的，一般成品氦氖激光器的波長(zhǎng)都是波長(zhǎng)的，這兩個(gè)波長(zhǎng)擁有同樣的激光上能級(jí)，而

15、且增益系數(shù)與波長(zhǎng)的三次方成正比，所以3390nm波長(zhǎng)的增益系數(shù)遠(yuǎn)高于波長(zhǎng)的增益系數(shù)，所以要想獲取的激光輻射一定克制3390nm輻射。此中加入非平均磁場(chǎng)的方法就是此中一種。6.塞曼效應(yīng)的應(yīng)用：一.由塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果去確立原子的總角動(dòng)量量子數(shù)J值和朗德因子g值,從而去確立原子總軌道角動(dòng)量量子數(shù)L和總自旋量子數(shù)S的數(shù)值。（一）,譜線和譜線的散布、間距及條數(shù)考證。圖11汞譜線在磁場(chǎng)中的分裂從實(shí)驗(yàn)圖像可知，譜線和譜線相互等距，對(duì)稱地散布在本來未加磁場(chǎng)時(shí)譜線的兩旁。原由可以下解說：（）當(dāng)MJ=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的線條數(shù)與MJ1和MJ2的可能值的個(gè)數(shù)（2J1+1）和（2J2+1）中較小的一個(gè)相當(dāng)。前面已經(jīng)指出，J1

16、，J2，故線條數(shù)為條，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。又MJ1(g2g1)BB/h，能夠看出線是等距的，MJ1從J1變到J1，間隔為(g2g1)BB/h，且相對(duì)于本來的譜線對(duì)稱散布。（）同線，當(dāng)MJ=1時(shí)，形成偏振。(MgMg)B/hgBBM(gg)B/hJ22J11B2hJ121B能夠看出線相互之間等同間距，此間距也為(g2g1)BB/h，與線之間的間距同樣，不過相對(duì)線挪動(dòng)了一個(gè)恒量g2BB。而且線條數(shù)與線同樣，為條。h同理可剖析線與線的關(guān)系，與線相對(duì)于原譜線對(duì)稱散布。綜上所述，各相鄰譜線間距為v=31，(g2g1)BB/h(22)BB/h2BB/heB1而洛倫茲單位L=4mc=BB/h，即v=L。譜線相對(duì)

17、于線的挪動(dòng)為g2BB2h3BB。從而形成了以下圖的分裂圖。2h（二）測(cè)定汞原子塞曼譜線相對(duì)強(qiáng)度4塞曼效應(yīng)譜線分裂反應(yīng)原子能級(jí)分裂量子化性質(zhì);各塞曼譜線相對(duì)強(qiáng)度反應(yīng)各子能級(jí)躍遷相對(duì)概率的大小，說明原子中價(jià)電子激發(fā)時(shí)在各塞曼子能級(jí)上的散布，這對(duì)認(rèn)識(shí)外場(chǎng)與原子相互作用擁有重要意義.所以我們能夠在原塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，測(cè)定塞曼分裂各譜線的相對(duì)強(qiáng)度。原理:輻射場(chǎng)的作用將惹起原子能級(jí)間的躍遷，設(shè)原子初態(tài)為a)，末態(tài)為b)，作為電偶極躍遷近似，則微分躍遷概率為22e2dW3begrad（41）2hc式中:e為輻射場(chǎng)矢量輻射立體角元,r為原子電偶極矩，d為輻射立體角元。在塞曼躍遷中，對(duì)某一確立的J躍遷，有3個(gè)

18、躍遷重量:MJMJ2MJ1=0,1。計(jì)算偏振方向強(qiáng)度散布，對(duì)輻射立體角進(jìn)行積分。由可知:當(dāng)垂直磁場(chǎng)B察看時(shí)，J(J+1)(J=1)時(shí)，各譜線相對(duì)強(qiáng)度的理論結(jié)果以下:a)MJMJ成分11I1112BI4B(JMJ1)(JMJ1)00I16B（42）11I1112Bb)MJMJ1成分12I1212BIB(JMJ1)(JMJ2)01I016B（43）10I102Bc)MJMJ1成分10I102BIB(JMJ1)(JMJ2)01I016B（44）12I1212B在上述幾式中，磁感覺強(qiáng)度B固定不變，所以在汞的塞曼效應(yīng)譜中，當(dāng)取最強(qiáng)譜線強(qiáng)度=100時(shí)，其余譜線的相對(duì)強(qiáng)度即由圖所示。塞曼譜線強(qiáng)度散布擁有對(duì)稱

19、規(guī)律性:在成分中，上、下子能級(jí)磁量子數(shù)MJ=0之間躍遷概率最大，譜線最強(qiáng)，居同級(jí)干預(yù)圓環(huán)中央，與外磁場(chǎng)B=0時(shí)躍遷相符合。跟著外磁場(chǎng)B增大，譜線分裂增添，但各譜線相對(duì)強(qiáng)度不變，表示各塞曼子能級(jí)上的電子布居數(shù)密度不變.此外，III，說明在垂直磁場(chǎng)方向，偏振強(qiáng)度對(duì)稱散布。詳細(xì)丈量方法：（1）攝譜在本實(shí)驗(yàn)的塞曼裝置上，為增大光強(qiáng)，取下偏振片.為增大線分辨率，將F-P標(biāo)準(zhǔn)具適合向第一個(gè)透鏡湊近，調(diào)理第二個(gè)透鏡獲取清楚的干預(yù)圖像.隨后加上外磁場(chǎng)，磁感覺強(qiáng)度應(yīng)大于T.垂直磁場(chǎng)攝譜，采納全色光譜干板或黑白膠卷，曝光10min左右，曝光時(shí)應(yīng)注意防止各樣雜散光擾亂。（2）測(cè)譜用測(cè)微光度計(jì)，在廢X光膠片上用圓規(guī)刻

20、寬約-0.2mm的圓弧狹縫，剪成圓形，放在測(cè)微光度計(jì)主狹縫屏前，狹縫開至0.3mm，經(jīng)過擋光板高度調(diào)理進(jìn)光量，使最弱譜線黑度為40-60，以譜線鄰近背景調(diào)零或扣除。（三）利用塞曼效應(yīng)反推原子能級(jí)56在能級(jí)圖上看，想要畫出知足選擇定章的塞曼支能級(jí)間的躍遷不甚方便，而用格羅春圖能夠方便地由塞曼譜線反推能級(jí)量子數(shù)及g因子。此時(shí)以汞躍遷為例。格羅春圖繪制過程：-101EfSm2EfPm1-2-1012圖12格羅春圖畫的步驟以下：因?yàn)榉至押蟮木€有3條，線對(duì)應(yīng)MJ=0，所以依據(jù)12m的取值規(guī)律，可知m=0,1,把它們等距地標(biāo)志在上能級(jí)水平線上，兩條水平線上同樣的mj值一一對(duì)應(yīng)，以垂直線相連，表示MJ=0的躍遷（偏振）。近似的，左下斜線表示MJ=1的躍遷（