新編大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)屏幕長(zhǎng)和寬編制僅供參考審核批準(zhǔn)生效日期地址：電話：傳真:郵編:塞曼效應(yīng)1896年塞曼（PieterZeeman1865～1943荷蘭物理學(xué)家）發(fā)現(xiàn)把光源置于足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中時(shí)，光源發(fā)出的每一條譜線都分裂為若干條偏振化譜線，分裂的條數(shù)隨能級(jí)類(lèi)別不同而不同，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。塞曼效應(yīng)是繼法拉第和克爾效應(yīng)之后被發(fā)現(xiàn)的第三個(gè)磁光效應(yīng)，是物理學(xué)的重要發(fā)現(xiàn)之一。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)原子發(fā)光的磁分裂效應(yīng)，說(shuō)明原子能級(jí)的磁相互作用能的存在，由于分裂的波長(zhǎng)（對(duì)應(yīng)于能級(jí)）差很小，故不能用一般的分光儀器去分析測(cè)量。[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯1．觀察波長(zhǎng)為5461的汞譜線的塞曼分裂，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相比較，計(jì)算電子荷質(zhì)比。2．掌握法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的原理和調(diào)節(jié)方法。[儀器和用具]塞曼效應(yīng)儀（包括直流電磁鐵、法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具、放電管及觀察照相等光學(xué)元件），高斯計(jì)。[實(shí)驗(yàn)原理]（一）電子自旋和軌道自旋運(yùn)動(dòng)使原子具有一定的磁矩。在外磁場(chǎng)中，原子磁矩與磁場(chǎng)相互作用，使原子系統(tǒng)附加了磁作用能ΔE。又由于電子軌道和自旋的空間量子化，這種磁相互作用能只能取有限個(gè)分立的值，此時(shí)原子系統(tǒng)的總能量為：E=E0+ΔE=E0+Mg（1）式中E0為未加磁場(chǎng)時(shí)的能量，M為磁量子數(shù)，B為外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，e為電子電量，m為電子質(zhì)量，h為普朗克常數(shù)，g為朗德因子。朗德因子的值與原子能級(jí)的總角動(dòng)量J、自旋量子數(shù)S和軌道量子數(shù)L有關(guān)，在L-S耦合情況下：g=（2）由于J一定時(shí)，M=J，J－1，…，－J。所以由式1和2式可知，原子在外磁場(chǎng)中，每個(gè)能級(jí)都分裂為2J+1個(gè)子能級(jí)。相鄰能級(jí)的間隔為g玻爾磁子=9.2741×10-24J?T設(shè)頻率為的光譜線是由原子的上能級(jí)E2躍遷到下能級(jí)E1所產(chǎn)生，由此，譜線的頻率同能級(jí)有如下關(guān)系：（3）在外磁場(chǎng)的作用下，上下兩能級(jí)各獲得附加能量ΔE2，ΔE1，因此，每個(gè)能級(jí)各分裂（2J2+1）個(gè)和（2J1+1）個(gè)子能級(jí)。這樣上下兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷，將發(fā)出頻率為的譜線，并有==分裂后的譜線與原譜線的頻率差為：換以波數(shù)表示（4）式中稱為洛侖茲單位，以L表示，則（4）式寫(xiě)為躍遷時(shí)M的選擇定則與譜線的偏振情況如下：選擇定則：=0（當(dāng)時(shí)，被禁止），=。當(dāng)Δ=0時(shí)，產(chǎn)生的偏振光為成分。垂直于磁場(chǎng)觀察時(shí)（橫效應(yīng)），線偏振光的振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)。平行于磁場(chǎng)觀察時(shí)，成分不出現(xiàn)。當(dāng)Δ時(shí)，產(chǎn)生的偏振光為成分。垂直于磁場(chǎng)觀察時(shí)，產(chǎn)生線偏振光，其振動(dòng)方向垂直于磁場(chǎng)。平行于磁場(chǎng)觀察時(shí)（縱效應(yīng)），產(chǎn)生圓偏振光。Δ=1，偏振轉(zhuǎn)向是沿磁場(chǎng)方向前進(jìn)的螺旋方向，磁場(chǎng)指向觀察者時(shí)，為左旋圓偏振光；Δ=-1時(shí)，偏振方向是沿磁場(chǎng)指向觀察者時(shí)，為右旋圓偏振光。光譜線的間線（上下能級(jí)自旋量子數(shù)S=0即單重態(tài)間的躍遷）在磁場(chǎng)作用下，把原波數(shù)為的一條譜線分裂為波數(shù)為的三條譜線，中間的一條為成分，分裂的二條為成分，譜線間隔為一個(gè)洛侖茲單位。對(duì)于雙重態(tài)以上的譜線將分裂成更多條譜線。前者稱為正常塞曼效應(yīng)，后者稱為反常塞曼效應(yīng)。例；鈉589nm譜線的塞曼效應(yīng)鈉589nm譜線是2P3/22S1/2躍遷的結(jié)果，能級(jí)分裂的大小和可能的躍遷如表1所示。表1gMMg2P3/24/3，，2P1/22MM2gM1g3/21/2－1/2－3/26/32/3－1/2－6/311M2g2－M1偏振態(tài)－5/3－3/3－1/3+1/3+3/3+5/3塞曼效應(yīng)能級(jí)圖如圖1所示：圖1鈉589nm譜線的塞曼效應(yīng)能級(jí)分裂圖圖1鈉589nm譜線的塞曼效應(yīng)能級(jí)分裂圖（二）塞曼分裂的波長(zhǎng)差是很小的，如在正常塞曼效應(yīng)中設(shè)B=0.5T，λ=500.0nm，分裂的波長(zhǎng)差為Δλ=0.06nm。欲分辨如此小的波長(zhǎng)差要求分光儀器的分辨率λ/Δλ=105。一般棱鏡攝譜儀的理論分辨率103～104，故不適用。如果用兩米光柵攝譜儀的二級(jí)光譜，也只有在加大磁場(chǎng)的情況下研究塞曼分裂。因此用法布里—珀羅（F—P）標(biāo)準(zhǔn)具作為分光儀器，它的理論分辨率可達(dá)105～107。1．F—P標(biāo)準(zhǔn)具的原理及性能F—P標(biāo)準(zhǔn)具是由兩塊平面玻璃板中間夾有一個(gè)間隔圈組成的。玻璃板的內(nèi)表面鍍有高反射膜，反射率R>90o（不準(zhǔn)擦拭反射膜）。間隔圈用膨脹系數(shù)很小的材料加工成一定厚度，以保證兩玻璃板的距離不變，再用三個(gè)螺絲調(diào)節(jié)玻璃上的壓力來(lái)達(dá)到精確平行，標(biāo)準(zhǔn)具光路如圖2所示。圖圖2F-P標(biāo)準(zhǔn)具光路圖圖3干涉亮環(huán)圖3干涉亮環(huán)F—P標(biāo)準(zhǔn)具是多光束干涉裝置，一束光以角射入F—P標(biāo)準(zhǔn)具后，這束光可以在標(biāo)準(zhǔn)具的A，B內(nèi)表面鍍膜之間進(jìn)行多次反射和透射，透過(guò)平行光束經(jīng)透鏡L會(huì)聚在它的焦平面P上產(chǎn)生干涉，設(shè)兩撥板內(nèi)平面間距為d，在空氣中折射率近似為n=1，入射角為，則相鄰兩束光的光程差為，形成亮條紋的條件為（5）其中k為整數(shù)，表示干涉條紋級(jí)次。由式5可看出，滿足同一角的光線，在屏上顯示的干涉條紋為一圓環(huán)，屬等傾干涉。設(shè)中心亮環(huán)的干涉級(jí)次為，則向外依次為-1，－2，形成一系列向外的同心圓環(huán)。F—P標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜范圍：設(shè)入射光波長(zhǎng)發(fā)生微小變化，則產(chǎn)生各級(jí)干涉亮環(huán)套在各相應(yīng)級(jí)的亮環(huán)內(nèi)外。如圖3所示。如使Δλ繼續(xù)增加，使λ2的（）級(jí)亮環(huán)與λ1的亮環(huán)重合，即此時(shí)的波長(zhǎng)差以ΔλF表示。當(dāng)Δλ>ΔλF時(shí)，就發(fā)生λ1和λ2不同級(jí)次亮條紋重疊交叉情況。因此ΔλF被叫做自由光譜范圍，或叫做不重疊區(qū)域。當(dāng)角較小時(shí)，cos=1，2d=kλ，由重合條件得用波數(shù)表示（6）2．用標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)量波數(shù)差公式對(duì)同一級(jí)次有微小波長(zhǎng)差的不同波長(zhǎng)λa，λb，λc而言，如圖4所示可以證明，在相鄰干涉次級(jí)與（-1）級(jí)下有；(7)其中d為標(biāo)準(zhǔn)具常數(shù)。[實(shí)驗(yàn)儀器與裝置]該實(shí)驗(yàn)可采用多種儀器與方法，一般常用的是在塞曼效應(yīng)儀上加以不同的觀察裝置。觀察塞曼效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。圖4塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置圖圖4塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置圖汞燈光由會(huì)聚透鏡成平行光，經(jīng)濾光片后546.1nm光入射到F-P標(biāo)準(zhǔn)具上，由偏振片鑒別成分和成分，再經(jīng)成像透鏡將干涉圖樣成像在測(cè)量望遠(yuǎn)鏡（或CCD光敏面、攝譜儀底版）上。觀察塞曼效應(yīng)縱效應(yīng)時(shí)，可將電磁鐵極中的芯子抽出，磁極轉(zhuǎn)90o，光從磁極中心通過(guò)。將1/4波片置于偏振片前方，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片可以觀測(cè)成分的左旋和右旋圓偏振光。[實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法]本實(shí)驗(yàn)觀測(cè)汞（Hg）546.1nm譜線的塞曼分裂，這條譜線是在能級(jí)3S1→3P2間躍遷產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)前先進(jìn)行理論分析，確定觀察譜線各能級(jí)的量子數(shù)L，S，J及M，計(jì)算朗德因子g，按照選擇定則確定可能的子能級(jí)及偏振態(tài)，畫(huà)出塞曼分裂能級(jí)圖，以上分析須在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告中完成。1．按圖4調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)各光學(xué)部件共軸，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)具。F-P標(biāo)準(zhǔn)具調(diào)整：根據(jù)，對(duì)于某一波長(zhǎng)同一干涉級(jí)，如果在某一方向上標(biāo)準(zhǔn)具的間距大，則這個(gè)方向上干涉環(huán)直徑也大。所以可以直接觀察標(biāo)準(zhǔn)具的干涉環(huán)進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)眼睛向某一個(gè)調(diào)整螺絲方向移動(dòng)時(shí)，若花紋從中間冒出或向外擴(kuò)大，說(shuō)明此方向標(biāo)準(zhǔn)具間隔大，應(yīng)將該方向的螺絲旋緊或放松其他兩個(gè)螺絲，直到眼睛向各過(guò)方向移動(dòng)時(shí)，干涉環(huán)的大小不變?yōu)橹?，此時(shí)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的兩玻璃板嚴(yán)格平行。調(diào)整L位置，可使亮環(huán)最亮。2．觀