塞曼效應(yīng)實驗林崴0630072037906光科塞曼效應(yīng)實驗實驗簡介實驗?zāi)康膶嶒炘韺嶒瀮?nèi)容實驗分析塞曼效應(yīng)實驗簡介1896年，荷蘭物理學(xué)家塞曼發(fā)現(xiàn)鈉光源放在足夠強的磁場中，雙線在磁場中都有增寬現(xiàn)象，即原來的鈉雙線分裂成幾條光譜線。從而得出了：把產(chǎn)生光譜的光源置于足夠強的磁場中，一條譜線即會分裂成幾條偏振化的譜線---這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。塞曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是對光的電磁理論的有力支持，證實了原子具有磁矩和空間取向量子化，使人們對物質(zhì)光譜、原子、分子結(jié)構(gòu)有更多了解。同時有力地證明了電子自旋假設(shè)是正確的，能級的分裂是由于電子的軌道磁矩和自旋磁矩相互作用的結(jié)果。實驗?zāi)康牧私馊?yīng)在研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用了解各儀器的作用，F(xiàn)-P標(biāo)準具的使用學(xué)習(xí)觀察低壓汞燈的譜線在磁場中塞曼分裂譜線,觀察偏振態(tài)實驗原理原子中的電子的磁矩和角動量總磁矩其中，

L為軌道磁矩，

S為自旋磁矩。B為玻爾磁子, B

=0.5788×10-4eV/T當(dāng)有外磁場時，原子中總磁矩只有平行于J的分量起作用，成為有效磁矩，用 J表示。=g 其中g(shù)為朗德因子，g=1+實驗原理塞曼效應(yīng)在外磁場中，磁矩具有一附加取向勢能其中，Mj可以在-J和J之間取2J+1個整數(shù)值。因此，無磁場中的一個能級，在磁場的作用下因具有2J+1個附加能量而分裂成2J+1個支能級。它相對于原來能級的移動為

。設(shè)某一光譜線是由能級E2和E1之間的躍遷而產(chǎn)生的，則其譜線的頻率υ同能級有：

hυ=

E2-

E1在外磁場作用下，從上能級各子能級到下能級各子能級的躍遷產(chǎn)生的光譜線頻率υ＇:實驗原理塞曼效應(yīng)因此，有磁場時的譜線與原譜線的頻率差為：換以波數(shù)差來表示其中L=稱為洛侖茲單位。L=46.68B/m,Ｂ的單位用T（特斯拉）。實驗原理選擇定則（1）ΔJ=J2-J1=0,±1；但是J1、J2不能同時為0（2）ΔMJ=MJ2-MJ1=0

,±1當(dāng)ΔMJ=0，為π成分，沿磁場方向不可見。當(dāng)ΔMJ=±1為σ成分。垂直于磁場觀察時為振動垂直于磁場的線偏振光。實驗原理F-P標(biāo)準具在透鏡的焦平面上發(fā)生干涉、光程差為波長整數(shù)倍時產(chǎn)生干涉極大值：Δ=2ntcosθ=mλ不同的干涉級數(shù)m對應(yīng)不同的入射角θ。在擴展光源照明下，F(xiàn)-P標(biāo)準具產(chǎn)生等傾干涉，它的干涉花紋是一組同心圓環(huán)。實驗內(nèi)容調(diào)節(jié)F-P平行度掃描無磁場時的汞546.1nm譜線加上磁場，掃描汞546.1nm譜線的塞曼分裂譜線加上偏振片，掃描譜線的σ成分和π成分實驗分析.實驗主體基本儀器功能及其調(diào)節(jié)①汞燈：譜線的寬度主要是由光源決定的；低壓放電光源；細長狀，管徑小，減小磁鐵的磁極間隙；He-Ne激光源激發(fā)；避免傷害眼睛。②透鏡L1：將汞燈發(fā)出的發(fā)散光變成平行光，更多地收集到F-P標(biāo)準具上。③濾光片：濾去與實驗無關(guān)波段（如紫外）的光，避免了干擾。④L2聚光透鏡：將經(jīng)過F-P標(biāo)準具后的平行光聚焦到觀察窗尾部，即光電倍增管入口處。實驗分析.F-P標(biāo)準具的平行度調(diào)節(jié)為了提高實驗穩(wěn)定性，本實驗采用氣壓掃描的方式，固定間隔環(huán)的F-P標(biāo)準具，通過改變F-P標(biāo)準具兩平行板間氣壓P來改變折射率n，最終改變光程差Δ。這樣，掃描時不會破壞二鏡的平行性。采用固定間隔環(huán)的F-P標(biāo)準具的穩(wěn)定性好，對震動干擾不敏感。粗調(diào)平行度：在觀察窗尾接小孔，增大氣壓P，從小孔中觀察，若條紋往某個方向移，那個方向較薄，應(yīng)該增大它的厚度。最終視野中應(yīng)該是一片亮或者暗。精調(diào)平行度：將小孔拿開，直接觀察圓環(huán)。移動眼睛的位置使圓環(huán)在視場中向某個方向移，觀察圓環(huán)的吞吐情況。實驗分析.F-P標(biāo)準具的平行度調(diào)節(jié)如圖F-P標(biāo)準具中兩平板不平行情況分析光程差Δ=2ntcosθ=mλ時產(chǎn)生衍射極大。對于同一級次衍射圓環(huán)（假設(shè)m級），t1<t2，故cosθ1>cosθ2，即θ1<θ2這樣也導(dǎo)致了出射的平行光經(jīng)過L2聚焦后的斑點下移了，也就是相鄰級次間的距離變大了，圓環(huán)變疏。圓環(huán)往某方向移動，若圈圈向外吐出，說明相鄰級次之間距離變大，也就是這個方向的厚度較厚，要將此方向上的螺絲逆時針旋轉(zhuǎn)，使之變薄。直至眼睛在各個方向上移動時，圓環(huán)實驗分析.觀察汞546.1nm譜線其中低谷“a”為改變了微電流計量程至10-8檔后的圖像。說明微電流計的放大量程決定了圖像的幅度。紅色的是噪聲組。對比后可以得出，汞燈譜線上的毛刺是由于噪聲引起的，不是汞譜線本身的不穩(wěn)定因素造成的。故在后面的分析中可以用曲線平滑來平均噪聲的干擾。紫色的一組線為高壓較大的一組，其超量程了。說明高壓的大小決定了光電倍增管的放大倍率。實驗分析.觀察汞546.1nm譜線精細度=x1/x2=（1.108-1.752）/(1.098-1.134)=17.9>15說明測出的F-P標(biāo)準具的精細度符合實驗要求。自然線寬：由Δν*τ≈1/2π，得Δν=1.6*10^7Hz多普勒展寬：而對于汞546.1nm譜線，A=200.59，所以Δν’=2.6*10^8Hz由上可以看出，譜線的寬度主要由光源本身決定。實驗分析.觀察汞546.1nm譜線的塞曼分裂自由光譜范圍νF=1/2nt=250.3塞曼分裂間隔Δν

=L2/L1*νFΔν

=25.87±0.437計算出電子荷質(zhì)比e/m=(Δν*4πc)/(B)=1.95*1011±0.11*1011V/kg標(biāo)準值e/m=1.72*1011V/kg。實驗誤差為13.3%。誤差主要是由于B的不確定度引起的實驗分析.磁場由于磁場B只進行了一次測量，在測量時要使高斯計截面較大的那面垂直于磁場，由于空間因素，不易把握。測量時，指針會晃動，給記錄讀數(shù)也帶來較大的困難。若改進實驗應(yīng)從提高測量磁場的精度入手。塞曼效應(yīng)時的外磁場為弱磁場。因為強磁場可能會破壞原子能級的精細結(jié)構(gòu)。外磁場較弱時，L、S繞B旋進速度較小，它對L、S繞J旋進的影響不大，對原子能級的精細結(jié)構(gòu)影響也就不大。若外磁場較強，磁場和原子磁矩的相互作用超過自旋-軌道相互作用時，LS將不再繞J旋進，不再耦合成J，破壞了精細結(jié)構(gòu)。在強磁場中原子譜線的分裂成為帕邢-巴克效應(yīng)。實驗分析.觀察分裂譜線的偏振成分本實驗是垂直于磁場方向觀察塞曼分裂，在不加偏振片的情況下應(yīng)該可以觀察到σ、π成分的9條譜線。如上所分析，每條譜線的間隔

一樣。若在沿著磁場的方向觀察的話，只能觀察到

σ成分的6條譜線。原因是π譜線的電矢量

平行于磁場方向，所以沿著磁場方向看不到

π成分。實驗分析.觀察分裂譜線的偏振成分σ譜線的偏振方向垂直于磁場，故將偏振片的方向為豎直時，觀察到了如左圖的6個σ譜線小峰。π譜線的電矢量平行于磁場方向，故偏振片的偏振方向為水平時，看到了π成分的3個峰。實驗總結(jié)通過本次塞曼效應(yīng)實驗，觀察到Hg546.1nm譜線的分裂，學(xué)習(xí)并探究了磁場對能級分裂的影響