實驗塞曼效應第1頁/共21頁實驗3-5塞曼效應——南開大學近代物理實驗第2頁/共21頁一、實驗背景塞曼效應：1896年，荷蘭物理學家塞曼將光源置于強磁場中，研究磁場對譜線的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原來的一條譜線分裂成幾條光譜線，分裂的譜線成分是偏振的，這一現(xiàn)象稱為塞曼效應。

塞曼效應證明了電子具有自旋，能級分裂是由于電子軌道與自旋磁矩相互作用的結(jié)果。第3頁/共21頁二、實驗目的1、觀察汞的546.1nm譜線在磁場中分裂的情況，加深對原子結(jié)構(gòu)的認識；2、測量上述譜線在磁場中分裂的裂距，求出e/m值；3、學習法布里——珀羅標準具的原理、調(diào)節(jié)和使用。第4頁/共21頁三、實驗原理（一）譜線在磁場中的分裂：由量子理論，當光源處于磁場強度為B的磁場中時，能級E要發(fā)生分裂，其附加能量式中M為磁量子數(shù)；g是朗德因子；μB為玻爾磁子，其大小為式中e和me分別是電子的電量和質(zhì)量。第5頁/共21頁當光源未受到磁場作用時，設電子由E2能級躍遷到E1能級，產(chǎn)生頻率為ν的譜線

當光源受磁場作用時，一般地E1、E2兩個能級都要發(fā)生分裂，分別有和的附加能量。分裂的上下能級分別表示為和，它們之間的躍遷產(chǎn)生頻率為的新譜線。則有譜線的頻率變化為第6頁/共21頁相應的波數(shù)差為式中L為第7頁/共21頁汞綠線546.1nm是躍遷的結(jié)果，按LS耦合情況下g因子計算公式：

可得能級的g值，g2=1;能級的g值，g=3/2。兩能級的M取值為：M2=1，0，-1和M2=2，1，0，-1，-2。根據(jù)選擇定則：

(當ΔJ＝0時，ΔM被禁止),當ΔM=0時，產(chǎn)生的偏振光為π成分。垂直于磁場觀察時(橫效應)，線偏振光的振動方向平行于磁場。平行于磁場觀察時，π成分不出現(xiàn)。第8頁/共21頁當ΔM=±1時，產(chǎn)生線。沿垂直于磁場方向觀察時(橫效應)，線為振動方向垂直于磁場的線振動光。沿磁場方向觀察時，線為圓偏振光。對汞綠線546.1nm譜線，選擇定則允許的躍遷共有九種。因此，原來的譜線將分裂成九條譜線。分裂后的九條譜線是等距的，間距都為L/2。各線段的長度表示譜線的相對強度。用上面所述的方法，可以求出它的塞曼分裂。下圖表示在外磁場作用下，汞綠線能級的分裂情況。第9頁/共21頁在外磁場作用下，和能級的分裂第10頁/共21頁（二）用標準具測量波數(shù)差塞曼效應造成的譜線很小，其相對值，即在可見光波段其分裂值在1/10nm數(shù)量級。棱鏡光譜儀或光柵光譜儀的分辨本領為103~105，故難以用常規(guī)光譜儀觀察到塞曼效應。法布里-珀羅標準具的分辨本領可達到106，故常用標準具來觀測塞曼效應。

由于標準具的自由光譜區(qū)很小，通常要先用常規(guī)光譜儀分出一條條光譜線后，再用標準具進一步分光。

第11頁/共21頁由于低壓水銀燈光源的譜線間隔很大，利用濾光片即可分離出546.1nm譜線，故本實驗采用干涉濾光片和法布里-珀羅標準具完成分光任務。

在法布里-珀羅標準具的透射光中，相鄰兩光束的光程差為在空氣中n=1，則有其中，d是標準具間隔，i是投射到標準具的光的入射角。當光程差等于波長的數(shù)倍時，形成干涉亮環(huán)，即對于k級干涉環(huán)，滿足第12頁/共21頁dfi由上圖可得則有第13頁/共21頁顯然，對某一波長的光，干涉級k與干涉環(huán)直徑平方成線性關系。對某一對同一波長光產(chǎn)生的相鄰兩級k和k-1線，有

對同一級不同波長的波長差，有

測量時所用的干涉條紋是中心附近的干涉條紋，可令i=0,則有第14頁/共21頁

則波長差的表達式可化為

用波數(shù)差表示為第15頁/共21頁四、實驗裝置如圖，實驗裝置由磁場、光源、分光系統(tǒng)和觀測系統(tǒng)等四大部分組成。第16頁/共21頁五、實驗內(nèi)容1、調(diào)整光路，觀察塞曼現(xiàn)象

a、點亮汞燈，把透鏡置于光源和標準具之間適當位置，讓光充滿標準具。由于標準具前已經(jīng)放置濾光片，可以看到標準具視場中布滿綠色的干涉條紋。b、調(diào)節(jié)標準具。眼睛在垂直于的平行面內(nèi)上、下、左、右移動時，若看到干涉環(huán)有縮冒現(xiàn)象，應調(diào)節(jié)標準具的三個調(diào)節(jié)旋鈕，直到無明顯縮冒現(xiàn)象為止。c、在標準具后安置透鏡和目鏡，調(diào)節(jié)兩者的相對位置以看清各干涉環(huán)。為保證視場足夠明亮，整個光學系統(tǒng)應共軸。調(diào)節(jié)目鏡位置使目鏡叉絲大體與干涉環(huán)直徑重合。第17頁/共21頁d、開啟穩(wěn)壓電源，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源電流為一定值。如圖所示，取相鄰兩級次的線偏光進行測量。第18頁/共21頁2、測量并計算波長差按公式計算塞曼分裂的波數(shù)差。3、測量并計算荷質(zhì)比第19頁/共21頁六、注意事項1.法布里-珀羅標準具等光學元件應避免沾染灰塵、污垢和油脂，還應該避免在潮濕、過冷、過熱和酸堿性蒸汽環(huán)境中存放和使用；2.光學零件的表面上如有灰塵可以用橡皮吹氣球吹去。如表面有污漬可以用脫脂、清潔