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1、光栅光谱仪探究塞曼效应光栅光谱仪探究塞曼效应20112301112 李苑婷引言引言:塞曼效应是 原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象 ,是 1896 年由荷兰物理学家塞曼发现的。首先他发现,原子光谱线在外 磁场发生了分裂 ;随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成 3 条的原因,这种现象称为 “塞曼效应”。在后来进一步研究发现,很多原子的光谱在磁场中的分裂情况 有别于前面的分裂情况,更为 复杂,称为反常塞曼效应。塞曼效应是继 1845 年法拉第效应和 1875 年克尔效应之后发现的第三个磁场对光 有影响的实验现象。塞曼效应 充分说明了原子磁矩的空间量子化 ,也即角动量量子化 , 为研究原子结构提供了
2、重要途径,被认为是19 世纪末 20 世纪初物理学最重要的发 现之一。在研究原子机构时 利用塞曼效应可以测量电子的荷质比 ,在天体物理中,塞 曼效应还可以用来测量天体的磁场。摘要:摘要:本论文将在研究电子自旋磁矩与轨道磁矩耦合为总磁矩,在外磁场作用下引起 的附加能量不同,造成能级分裂,从而导致光谱线的分裂的现象的基础上。进一步研究 Hg346.1 在光栅光谱仪上的分裂,分裂的谱线数及波长位置,并深入研究 Hg 其他波长的谱 线的分裂。 关键词:塞曼效应、光栅光谱仪、汞光谱、分裂关键词:塞曼效应、光栅光谱仪、汞光谱、分裂一、基础实验原理一、基础实验原理 根据原子理论,原子中的电子既作轨道运动又作
3、自旋运动。原子的总轨道磁矩 L与总 轨道角动量 pL的关系为:(1)2LLepm其中(2)(1)LpL Lh原子的总自旋磁矩 S与总自旋角动量 PS的关系为:(3)SSepm其中(4)(1)SpS Sh上式(1) 、 (2) 、 (3)和(4)中:m 为电子质量,L 为轨道角动量量子数,S 为自旋量子数, 为普朗克常数除以 2。 而对于原子的总磁矩 J,其大小由下式确定:(5)2JJegpm其中(6)2JJegpm其中,J 为总角动量量子数,g 为朗德因子。本次实验研究的汞原子的角动量耦合方式主要 是 LS 耦合,存在(7)) 1(2) 1() 1() 1(1JJSSLLJJg原子在磁场中的附
4、加能量 E 为:(8)cos2cosBpmegBEJJ其中, 为 pJ与 B 的夹角。角动量在磁场中取向是量子化的,即:(9)JJJMMpJ,.,1,cosh其中,M 为磁量子数。因此,(10)BmeMgE2h可见,附加能量不仅与外磁场 B 有关系,还与朗德因子 g 有关。磁量子数 M 共有 2J+1 个值,因此原子在外磁场中,原来的一个能级将分裂成 2J+1 个子能级。 未加磁场时,能级 E2和 E1之间的跃迁产生的光谱线频率 为:(11)21EE h外加磁场时,分裂后的谱线频率 为:(12)hEEEE)()(1122分裂后的谱线与原来谱线的频率差 为:212211()/()4eBEEhM
5、gM gmc (13)能级之间的跃迁必须满足选择定则,0, 1(00)JJJ 禁戒。M01J,(=0时,M =0M =0禁戒)当 M=0 时,产生 线,沿垂直于磁场方向观察时, 线为光振动方向平行于磁场的 线偏振光,沿平行于磁场方向观察时,光强度为零,观察不到。 当 M=1 时,产生 线,迎着磁场方向观察时, 线为圆偏振光,M=+1 时为左旋 圆偏振光,M=-1 时为右旋圆偏振光。沿垂直于磁场方向观察时, 线为线偏振光,其电 矢量与磁场垂直。根据上述的分裂规则,汞 4358 的在磁场中的理论分裂图如下所示:A。10 g=2-11 0 g=3/2 -113S13P 435.8nm实验装置:二、实
6、验装置二、实验装置实验装置图如下图 2 所示图 2 实验装置示意图一个洛伦兹单位对应的波长差为2L%(14)图 1 汞 4358 的在磁场中的理论分裂图A。其中0.4674eBLBmc(15)当时,。因此,拍摄光谱时需要色散大的光谱仪。B1T500nm,0.01nm三、实验内容及步骤三、实验内容及步骤(1)扫描仪波长选取:545.5546.5,扫描步长:0.01,不加磁场,不加聚光透镜及分光 镜,重复扫描,根据波形反映的问题,调整聚光透镜、分光镜,直到出现合适的谱线波形;(2)加磁场,重复(1)操作; (3)加磁场,加聚光透镜,重复(1)操作; (4)加磁场,加聚光透镜及分光镜,重复(1)操作
7、; (5)扫描仪波长改为:460660,扫描步长改为:0.1,重复(1)操作,得到波形后,选 取其中一个谱线如同 546.1 谱线那样研究;(本实验选取了波长为 579.1 的谱线) (6)扫描仪波长选取:578.5579.5,扫描步长:0.01,不加磁场,不加聚光透镜及分光 镜,重复扫描,根据波形反映的问题,调整聚光透镜、分光镜,直到出现合适的谱线波形;(7)加磁场,重复(6)操作; (8)加磁场,加聚光透镜,重复(6)操作; (9)加磁场,加聚光透镜及分光镜,重复(6)操作;四、实验结果及数据记录整合四、实验结果及数据记录整合(1)(4)(5)(6)(9)1(9)2五、实验分析观察波形可发
8、现观察波形可发现 (1)汞在可见光区有汞在可见光区有 6 条,谱线,波长,能量相对大小如图所示。条,谱线,波长,能量相对大小如图所示。(2)Hg546.1 的谱线分裂谱线如图:的谱线分裂谱线如图:(3)579.1 谱线可分裂成谱线可分裂成 9 条谱线如图:条谱线如图:(4)对比图)对比图(9)1 与图(与图(9)2,图,图(9)1 测量不到分裂的谱线,而图(测量不到分裂的谱线,而图(9)2 中能够检测到,中能够检测到, 说明要测量到说明要测量到 Hg579.1 分裂的谱线还要通过一定角度的偏振片。分裂的谱线还要通过一定角度的偏振片。六、实验装置图(实物)六、实验装置图(实物)7、参考文献参考文献【1】 近代物理实验 熊俊 主编 北京师范大学出版社 【2】 原子物理学 杨福家 著高等教育出版社