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1、实验 1：塞曼效应与法拉第效应实验周震亚华中科技大学物理学院应用物理 1101 班 U201110249 摘要： 法布里 - 珀罗标准具的工作原理与调节使用方法计算电子荷质比测量样品的费尔德常数实验内容：1.用毫特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感应强度，分析线性范围；2.观察汞原子546.1nm 谱线的分裂现象以及它们偏振状态，计算电子荷质比；3.利用已有的仪器设备，设计实验方法测量样品的费尔德常数，并做误差分析。实验原理：1.塞曼效应实验塞曼效应是同一原子能级上不同量子态在量子轴（如磁场方向） 上的磁矩投影具有不同的期望值， 因而在外磁场作用下发生能级分裂的现象。实际上，电子具有自旋，自旋轨道
2、相互作用下， 能级的简并度部分解除，这就是原子能级的精细结构。同时，因为磁量子数m可取j 到 j 的21j个值， 精细结构能级仍然是是21j度简并的。 在外磁场下，能级简并会进一步解除，这就是反常塞曼效应。本实验中所观察的汞绿线对应于33126 76 6s s Ss p P跃迁。塞曼分裂的波长差是很小的，普通的棱镜摄谱仪是不能胜任的，应使用分辨本领高的光谱仪器，如法布里珀罗标准具、陆末格尔克板、迈克尔逊阶梯光栅等。大部分的塞曼效应实验仪器选择法布里珀罗标准具。我们考虑两束具有微小波长差的单色光1和2（12，且12） 。经过推到我们可以得到电子质合比的计算公式：2222221112() ()ba
3、KKDDecmM gM gBdDD2.法拉第效应实验法拉第效应是指一束线偏振光沿外加磁场或磁化强度方向通过介质时偏振面发生旋转的现象。实验表明，在磁场不是非常强时，如图1 所示，偏振面旋转的角度与光波在介质中走过的路程d及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量B成正比，即：VBd（29）比例系数V由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔德 （Verdet ）常数。表3 为几种物质的费尔德常数。费尔德常数与磁光材料的性质有关，对于顺磁、 弱磁和抗磁性材料（如重火石玻璃等） ，V为常数，即与磁场强度B有线性关系；而对铁磁性或亚铁磁性材料（如YIG 等立方晶体材料），与B不是简
4、单的线性关系。不同的物质，偏振面旋转的方向也可能不同。习惯上规定， 以顺着磁场观察偏振面旋转绕向与磁场方向满足右手螺旋关系的称为“右旋”介质，其费尔德常数0V；反向旋转的称为“左旋”介质，费尔德常数0V。对于每一种给定的物质， 法拉第旋转方向仅由磁场方向决定，而与光的传播方向无关（不管传播方向与磁场同向或者反向） ，这是法拉第磁光效应与某些物质的自然旋光效应的重要区别。自然旋光效应的旋光方向与光的传播方向有关，即随着顺光线和逆光线的方向观察，线偏振光的偏振面的旋转方向是相反的，因此当光线往返两次穿过固有旋光物质时，线偏振光的偏振面没有旋转。而法拉第效应则不然，在磁场方向不变的情况下，光线往返穿
5、过磁致旋光物质时，法拉第旋转角将加倍。利用这一特性，可以使光线在介质中往返数次，从而使旋转角度加大。这一性质使得磁光晶体在激光技术、光纤通信技术中获得重要应用。与固有旋光效应类似，法拉第效应也有旋光色散，即费尔德常数随波长而变，一束白色的线偏振光穿过磁致旋光介质，则紫光的偏振面要比红光的偏振面转过的角度大，这就是旋光色散。实验表明，磁致旋光物质的费尔德常数V随波长的增加而减小。实验仪器本实验在FD-FZ-C 型法拉第效应塞曼效应实验仪上完成。主要由实验主机、 励磁电源、电磁铁、转台、光学导轨、激光器、起偏器、检偏器、探测器、会聚透镜（薄透镜）、干涉滤色片、 F-P 标准具、成像透镜（厚透镜）以
6、及测微目镜等组成。实验装置如图6 所示。主要参数列在表4 中。在本实验中，我们不用测微目镜，而是采用CCD相机将干涉圆环采入计算机，然后使用软件进行测量与数据处理，使用方法查阅软件说明。图 6. FD-FZ-C 型法拉第效应塞曼效应实验仪。左边导轨上的部件用于法拉第实验，右边用于塞曼效应实验。1：激光器（带可调会聚透镜）， 2：起偏器， 3：检偏器， 4：探测器， 5：电磁体， 6：转台， 7：会聚透镜（薄透镜） ，8：干涉滤色片，9： ，F-P 标准具 10：成像透镜（厚透镜），11：1/4 波片， 12：测微目镜， 13：电磁体电源，14：主机。具体实验用毫特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感
7、应强度，分析线性范围在测量前要先将毫特斯拉计调零，测得的实验数据如下：I(A) 0.00 0.22 0.44 0.57 0.80 1.00 1.18 1.43 1.58 1.79 2.00 2.20 2.40 B(mt)7 60 107 138 188 232 274 330 367 422 477 522 562 I(A) 2.60 2.82 3.01 3.22 3.42 3.60 3.80 4.00 4.21 4.40 4.61 4.80 5.01 B(mt)613 659 704 750 793 831 880 919 955 988 1019 1048 1077 画出图形，得：由上图可
8、以看出：磁场的强度和电流的关系在测量的范围内机会都是线性的，在 I=4.21A 之后的图像稍微有些偏差。观察汞原子 546.1nm谱线的分裂现象以及它们偏振状态，计算电子荷质比首先按照图6 的装置图链接各个光学器件。（注：在本实验中，我们不用测微目镜，而是采用CCD 相机将干涉圆环采入计算机，所以成像透镜以及1/4 玻片的作用被CCD 相机代替）调整光路：调整各光学器件共轴，调节会聚透镜的位置，是汞灯的光刚好充满标准具调节电磁铁与导轨的去向，是标准具视场中的干涉环位于中央。调节标准具： 将标准具直接置于汞灯照明下，在标准具的另一端可以用肉眼看到一组同心圆环的干涉图像。当眼睛从标准具中心向三个微
9、调螺丝方向移动时，如果圆环向外扩展或向内收缩，则说明为精确平行，直至调节到精确平行。将 CCD 相机对准标准具，打开电脑，可以在操作软件上看到干涉圆环的图像，此时，在图像预览界面观察到理想的图像时，选择快照，得到当前的图片。此时，点击“标记” 。在捕获的图像上点取K 级圆和 K-1 级圆，点取的顺序为：前三次点击将确定K 级圆及其圆心，后三次点击将确定刚才的圆心，寻找出K-1 级中心圆，内侧圆，外侧圆。确定点取的圆比较准确后，选择“计算/间隔测量”和“计算/磁场测量”，输入“法布里珀罗标准具间隔”为2.00mm。磁场强度为1.104T，选择“计算 /计算处理”，得到了“电子质合比”及误差。实验
10、的图像如下：利用已有的仪器设备， 设计实验方法测量样品的费尔德常数，并做误差分析首次按照图6 的实验装置图连接光学元件。接下来调节激光器，是激光器完全通过电磁铁的中心孔，此调节需要精细调节。首先不加入样品以及磁场，将检偏器的旋钮扭到中间位置，方便以后的调节，固定不动，这时调节起偏器是光强最弱，达到消光。放入样品加上磁场，调节检偏器，使得光强最小，记录此时的数据。改变电流，调节检偏器，使得探测器数值最小，记录数据。数据如下：小片（厚度：6.2mm ）消光位置 (mm) 6.750 5.275 4.525 3.312 2.212 B(mT) 6 131 255 369 495 测微头读数不可直接用
11、于作图， 的值应该是每组数据的千分之读数减去第一组数据( 不加磁场 ) 的测微头读数乘以190 除以60( 因为测偏器测角的分辨率为1.9分对应测微头移动0.01mm)。画出图像拟合数据得：得到：斜率为0.0046，由VBd，得到费尔德常数为0.0046 在刚开始的时候，由于消光位置不好确定，我们用光强最大的位置做实验，数据如下：最大位置 (mm) 6.450 5.515 5.128 4.305 3.570 B(mT) 6 236 334 415 465 图像如下：可以看出数据的误差较大，所以舍弃大片（厚度5.0mm）消光位置 (mm) 6.875 6.565 6.355 6.310 B(mT
12、) 6 122 240 341 图像如下：可以得到费尔德常数为：0.0011 此实验的误差较大采用光强最大测得：最大位置 (mm) 5.109 5.045 4.902 4.840 4.680 B(mT) 6 110 223 356 458 可以得到费尔德常数为0.0006，对比上图，此实验的误差较小。误差分析：1.塞曼效应实验的误差大多产生在标准具的调节上，这个调节需要精细的调节，我们还可以借助 CCD 相机在电脑上的图像调节。2.法拉第实验的误差比较大，我认为主要是我们实验方法的问题。首先，我们采用消光法，测量时光电流反应不够灵敏，最小值不够准确，导致对于的检偏器角度读取有误差；光路精度不够导致测量不准确；读数有一定误差。 尤其在调节消光上，很难做到完全消光。在调节激光完全通过磁铁的时候也很难保障。总结： 本次实验的原理部分比较简单，可是实验的光路调节需要很大的耐心，在 法拉第实验上一定要细致的调节，稍微一点差别就会造成实验的巨大误差，最后 感谢老师的耐心讲解以及组员的互相协作。参考文献：1 华中科技大学物理学院实验教学中心，近代物理实验实验讲义，2014.4
