《塞曼效应实验解读》由会员分享，可在线阅读，更多相关《塞曼效应实验解读（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、塞曼效应实验实验目的1、观察汞光在磁场中的塞曼分裂现象2、测量塞曼分裂相邻能级的波数差3、学习法布里珀罗标准具的调节。实验仪器 塞曼效应仪实验原理（1）能级分裂：原子中的电子作自旋与轨道运动，使得原子具有一定的磁矩，其中为总角动量，在LS耦合的情况下朗德因子为。原子磁矩在外磁场中受到力矩的作用使绕磁场方向作旋进，产生附加能量，由于在外磁场中的取向量子化，即磁量子数M=J，J-1.-J 有个可能值，因而有外磁场时原来的一个能级分裂为2J+1个能级。（2）光谱分裂：一光谱线在B=0时，；时，新的谱线（选择定则）以汞光546.1的谱线跃迁的两能级（）为例，在有磁场时看能级的塞曼分裂与跃迁： （3）本
2、实验观测波长为546.1的谱线的塞曼分裂跃迁为，在磁场中将发生反常塞曼效应，塞曼裂距为对于如图所示的分裂有 （1） 分别为相邻的b谱线a谱线的k-1级干涉环直径，为b谱线的第k级干涉环直径，d为标准具内两夹板玻璃内表面的距离。实验内容与步骤1 按图调节光路。汞灯与磁极的距离保持左右，各光学元件共轴，使光源在会聚透镜焦平面上，光均匀照射到标准具上；调节标准具两平行面严格平行，调整测微目镜使之观察到清晰明锐的干涉园环。（此时不加磁场，调节标准具时，望远镜远离标准具才能成清晰的像的部分，调节时要压紧原来不清晰部分方向的螺丝，望远镜靠近标准具才能成清晰的像的部分，调节时要放松原来不清晰部分方向的螺丝，
3、直至眼睛上下左右移动，均无干涉环吐出或吞进。）、观察有磁场及无磁场时的谱线情况（1）在无磁场时观察谱线的情况。（2）加上磁场，观察谱线分裂的情况，即谱线的条数，亮度、区分谱线的成份和成份。在标准具与观察望远镜间加入偏振片，转动偏振片观察谱线的偏振情况。、测出及，代入（1）式中计算（要求每测量三次取平均值）。实验注意与思考1 电磁铁长时间通较长时间电流（1A以上）线圈会发热，故在观察和测量完以后，要及时减少电流为零。2 从塞曼分裂谱中如何确定能级的J量子数，如何确定能级的因子？塞曼效应原理及实验方法n 塞曼分裂谱线与原谱线关系= 磁矩在外磁场中受到的作用 (1) 原子总磁矩在外磁场中受到力矩的作
4、用其效果是磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量（PJ）绕磁场方向旋进。 (2) 磁矩在外磁场中的磁能由于或在磁场中的取向量子化，所以其在磁场方向分量也量子化： 原子受磁场作用而旋进引起的附加能量M为磁量子数，g为朗道因子，表征原子总磁矩和总角动量的关系，g随耦合类型不同（LS耦合和jj耦合）有两种解法。在LS耦合下：其中： L为总轨道角动量量子数 S为总自旋角动量量子数 J为总角动量量子数 M只能取J，J-1，J-2 -J（共2J+1）个值 即E有(2J+1)个可能值。无外磁场时的一个能级，在外磁场作用下将分裂成（2J+1）个能级，其分裂的能级是等间隔的，且能级间隔= 塞曼分裂谱线与原谱线关系(
5、1) 基本出发点：分裂后谱线与原谱线频率差由于 为方便起见，常表示为波数差定义称为洛仑兹单位n 塞曼分裂谱线的偏振特征= 塞曼跃迁的选择定则为：M=0 时为成份（型偏振）是振动方向平行于磁场的线偏振光，只有在垂直于磁场方向才能观察到，平行于磁场方向观察不到；但当J=0时，M2=0到M1=0的跃迁被禁止。当M=1时，为成份，型偏振垂直于磁场，观察时为振动垂直于磁场的线偏振光。平行于磁场观察时，其偏振性与磁场方向及观察方向都有关：沿磁场正向观察时（即磁场方向离开观察者：U）M= +1为右旋圆偏振光（+偏振）M= -1为左旋圆偏振光（-偏振）也即，磁场指向观察者时： M= +1为左旋圆偏振光 M=
6、-1为右旋圆偏振光= 分析的总思路和总原则：在辐射的过程中，原子和发出的光子作为整体的角动量是守恒的。原子在磁场方向角动量为在磁场指向观察者时： 当M= +1时，光子角动量为，与同向 电磁波电矢量绕逆时针方向转动，在光学上称为左旋圆偏振光。M= -1时，光子角动量为，与反向 电磁波电矢量绕顺时针方向转动，在光学上称为右旋圆偏振光。例：Hg 5461谱线，6S7S3S1 6S6P3P2能级跃迁产生分裂后，相邻两谱线的波数差n 实验方法 = 观察塞曼分裂的方法 塞曼分裂的波长差很小由于以Hg 5461 谱线为例 当处于B=1T的磁场中 要观察如此小的波长差，用一般的棱镜摄谱仪是不可能的，需要用高分
7、辨率的仪器，如法布里珀罗标准器（FP标准具）。FP标准具由平行放置的两块平面板组成的，在两板相对的平面上镀薄银膜和其他有较高反射系数的薄膜。两平行的镀银平面的间隔是由某些热膨胀系数很小的材料做成的环固定起来。若两平行的镀银平面的间隔不可以改变，则称该仪器为法布里珀罗干涉仪。标准具在空气中使用时，干涉方程（干涉极大值）为标准具有两个特征参量自由光谱范围和分辨本领。= 自由光谱范围的物理意义：表明在给定间隔圈原度为d的标准具中，若入射光的波长在+间（或波数在间）所产生的干涉圆环不重叠，若被研究的谱线波长差大于自由光谱范围，两套花纹之间就要发生重叠或错级，给分析带来困难，因此在使用标准具时，应根据被
8、研究对象的光谱波长范围来确定间隔圈的厚度。= 分辨本领：（） 对于FP标准具N为精细度，两相邻干涉级间能够分辨的最大条纹数 R为反射率，R一般在90% （当光近似于正入射时）例如：d=5mm，R=90%，=546.1nm时 =0.001nm实验的研究内容n 分析在垂直于磁场与平行于磁场方向观察Hg 546.1nm谱线在磁场中的分裂，区分，+，-谱线，并确定磁场方向。n 设计方案，选用合适的FP标准具和改变磁感应强度，验证塞曼分裂的裂距n 设计方案用塞曼分裂计算电子的荷质比。n 讨论塞曼效应研究原子内部能级结构的方法和应用。实验讨论n 讨论（FP）标准具问题 理论上（FP）标准具两相对反射面距离
9、处处相等，实验中往往不相等。 如何判断两反射问题是否处处相等？ 如果不相等如何判断哪边d大，哪边d小？分析 依据 当d相等时，同一入射角对应同一个K，因此干涉环为同心圆环。当d时，K，因而出现干涉环吐出，要将对应的d减小。n 实验中垂直于磁场方向观察时要求1. 区分塞曼分裂中偏振成分和偏振成分。2. 选用合适的标准具，改变励磁电流观察偏振成分，相邻两级谱线的重叠。用特斯拉计测出磁场，与相应的理论值比较。问题 为什么改变磁感应强度B，会看到相邻两级谱线的重叠，且是不同的重叠情况。分析 因为改变B可以观察到干涉纹不同的重叠或错级情况：= FP标准具 自由光谱范围： 物理意义：若两谱线波长差自由光谱
10、范围（或），则两套干涉环就要产生重叠或错级。当d确定后，是个确定的值。= 塞曼裂距： 所以n 实验中平行于磁场方向观察要求区分+振与-偏振，并说明各自对应的 或 的跃迁。用的方法是光学中检验左、右旋偏振光的方法。实验中，常常出现的问题是忽略了磁场方向与观察方向的关系。问题 为什么要强调磁场方向与观察方向的关系？ 所对应的圆偏振光类型与磁场方向关系。分析 按角动量守恒原则，在辐射过程中原子和发射的光子作为整体，总的角动量是守恒的。原子在磁场方向角动量当时， 原子在磁场方向角动量减少 ，因此发射的光子必定在磁场正方向上有角动量 。当 指向观察者时，电矢量绕逆时针方向转动，在光学上叫做左旋圆偏振光。
11、同样，沿着磁场方向 平行于磁场观察时，观察到 对应的偏振为右旋圆偏振光。同理，时原子在磁场方向角动量增加，因此发射光子必定具有在磁场相反方向上的角动量。即：磁场指向观察者时，这个电磁波电矢量是顺时针方向的，即为右旋圆偏振光。同学们如果对如何鉴别左、右旋圆偏光的原理，方法不清楚可以通过仿真实验学习塞曼效 实验目的掌握塞曼效应理论，测定电子的荷质比，确定能级的量子数和朗德因子，绘出跃迁的能级图。掌握法布里-珀罗标准具的原理及使用，摄像器件在图像传感中的应用。实验原理处于电磁场中的发光体，光谱线发生分裂的现象，称为塞曼效应，其原理简述如下：1原子中的电子一方面绕核作轨道运动（用角动量L表征），一方面
12、本身做自旋运动（用角动量S表征），将分别产生轨道磁矩L和自旋磁矩S，它们与角动量的关系是：L L S S （31-1）L与S合成总角动量J并分别绕J旋进，L与S合成总磁矩，在J延线上的分量J才是一个定向恒量。 对多电子原子，由于角动量之间的相互作用，有LS耦合和jj耦合，但大多数情况是LS耦合。对于两个电子，则有L1、L2合成L；S1、S2合成S；L、S又合成J。因此在J延线上的分量J与J的关系是：Jg J （31-2）称朗德因子。在LS耦合情形，它与L、S和J的关系是1+ (31-3）由于L、S和J只能取整数和半整数，得出的是一个简分数。2在外磁场作用下，产生原子磁矩与外磁场的相互耦合，赋予
13、的耦合能量为JcosB （31-4）式中B= 称玻尔磁子；为磁量子数，是J在磁场方向上的量子化投影。由于J一定时，取值为J，J1，.，J1，J，即取2J1个数值，所以在外磁场中每一个原子能级（由J表征，称精细结构能级）都分裂为2J1个等间距的子能级（亦称磁能级），其间距由朗德因子表征。两精细能级中磁能级之间的跃迁得到塞曼效应观察到的分裂光谱线，用波数表示为： （2211） （2211）L（31-）式中L= 称为洛伦兹单位。的选择定则是21，1 （31-6）脚标2、1分别代表始、终能级，其中跃迁谱线称为分支线，1跃迁谱线称为分支线。3光的偏振与角动量守恒在微观领域中，光的偏振情况是与角动量相关联
14、的，在跃迁过程中原子与光子组成的系统除能量守恒外还必须满足角动量守恒。，说明原子跃迁时在磁场方向角动量不变，因此光是沿磁场方向振动的线偏振光。1，说明原子跃迁时在磁场方向角动量减少一个 ，则光子获得在磁场方向的一个角动量 ，因此沿磁场指向方向观察，为反时针的左旋圆偏振光；同理1，可得顺时针的右旋圆偏振光。当垂直于磁场方向观察时（称横效应），如偏振片平行于磁场，将观察到的分支线；如偏振片垂直于磁场，将观察到1的分支线。而沿磁场方向观察时（称纵效应），将只观察到1的左、右旋圆偏振的分支线（图31-1）。4若原子磁矩完全由轨道磁矩所贡献，即S1S2，121，得到正常塞曼效应，波数差为 = H=415（1） （31-7）通
