1、塞塞 曼曼 效效 应应 实实 验验四川大学物理系大学近代物理实验实验介绍实验介绍P.Zeeman 1865-1943 荷兰塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。荷兰物理学家塞曼在1896年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体，使光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。法拉第旋光效应（1845年）和克尔效应（1875年）的发现在当时引起了众多物理学家的兴趣。1862年法拉第出于“磁力和光波彼此有联系”的信念,曾试图探测磁场对钠黄光的作用,但因仪器精度欠佳未果。M.Faraday 1791-1867 英国 塞曼在法拉第的信念的激励下,经过多次的失败
2、,最后用当时分辨本领最高的罗兰凹面光栅和强大的电磁铁,终于在1896年发现了钠黄线在磁场中变宽的现象,后来又观察到了镉蓝线在磁场中的分裂。塞曼在洛仑兹的指点和洛仑兹经典电子论的指导下,解释了正常塞曼效应和分裂后的谱线的偏振特性,并且估算出的电子的荷质比与几个月后汤姆逊从阴极射线得到的电子荷质比相同。塞曼效应不仅证实了洛仑兹电子论的准确性,而且为汤姆逊发现电子提供了证据。也证实了原子具有磁矩并且空间取向是量子化的。1902年洛仑兹和塞曼因此而共享了诺贝尔物理学奖。本实验通过高分辨率的分光器件法布里-珀罗观察546.1nm 汞绿线在磁场中的分裂，并测量分裂谱线的波数差 等物理量。实验目的1、加深对
3、原子磁矩及空间量子化等原子物理 学概念的理解 2、学习法布里-珀罗标准具和CCD器件在光谱测量中的应用 实验原理 塞曼效应的产生是原子磁距与外加磁场作用的结果。根据原子物理理论，无外磁场时，原子某个能级的能量为E0；在外磁场作用下，这一原子能级的能量将增加或减少，分裂为2J+1层：BmeMgE2EEE0M为磁量子数，只能取J，J-1，J-2 -J（共2J+1）个值；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）而不同。附加能量E 不仅与外磁场B有关，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时原来的一个能级将分裂成 2J+1个子能级
4、。未加磁场时，能级E2和E1之间跃迁产生的光谱线频率为 在磁场中，分裂后谱线频率为分裂后的谱线与原谱线的频率差 为12EEhvLgMgMmceBgMgM)(4)(11221122（B的单位取Gs）,L称为洛仑兹单位。磁量子数M的选择定则为 但是，并非任何两个能级的跃迁都是可能的。1,012MMM131067.44mBmceBL)()(1122EEEEvh当 ,时除外当 时，产生 线，沿垂直于磁场的方向观察时，得到光振动方向平行于磁场的线偏振光。沿平行于磁场的方向观察时，光强度为零，观察不到。当 时，产生 线，合称 线。沿垂直于磁场的方向观察时，得到的都是光振动方向垂直于磁场的线偏振光。当光线的
5、传播方向平行于磁场方向时 线为一左旋圆偏振光，线为一右旋圆偏振光。当光线的传播方向反平行于磁场方向时，观察到的 和 线分别为左旋和右旋圆偏振光。12JJ 0012MM0M1M汞绿线是6s7s3s1能级到6s6p3P2能级跃迁产生的谱线，这两个能级的分裂情况及对应的量子数M和g表示见图。上能级6s7s3s1分裂为三个子能级，下能级分裂为五个能级，选择定则允许的跃迁共有九种。因此，原来的 谱线将分裂成九条谱线。分裂后的九条谱线是等距的，间距都为二分之一的洛仑兹单位，九条谱线的光谱范围为4个洛仑兹单位。各线段的长度表示谱线的相对强度。75 100 7575 37.5 12.512.5 37.5 75
6、-2 -1.5-1-0.5 0 0.5 1 1.5 2M2g2-M1g1法布里珀罗干涉仪两光束的光程差为：cos2nh产生亮条纹的条件为：mhcos2干涉光强分布公式2sin1120FIITF=4R/(1-R)285.211.1IT/I0k2(k+1)2014.888.998.76IR/I0R=4R=50R=801.24多光束干涉光强分布曲线Dm-1(2)Dm(2)Dm(1)SFRmmmmDDDD)()()()(222211222dSFR21d=5mm塞曼分裂光成分F-P干涉图实验仪器 0笔型汞灯、聚光镜、标准具滤色片、法珀标准具、偏振片、会聚透镜、直读式望远镜、CCD摄像头、显示器、9电磁铁
7、21350678NS94实验内容 1、光路调整：调节光学系统共轴，使从显微镜中观察时，至少有5个干涉圆环可以测量。各部件的位置以及具体的调节方法和技巧由同学自己设计。2、定性观察：通过显微镜定性观察汞546.1nm谱线的塞曼分裂现象。观察磁场从无到有过程中，干涉圆环与磁场B的关系，并用偏振片确定成分和成分，记下观察结果。3、CCD测量：用CCD测量系统对汞546.1nm谱线分裂后的线成份进行图像的存储和测量，并记下测量结果。4、荷质比计算：选用合适的F-P标准具和磁感应强度，验证塞曼分裂的裂距，并计算电子的荷质比e/m。数据处理 1、由公式 计算出电子的荷质比，并和理论值比较算出相对误差。其中
8、是外加磁场强度。当给直流电磁铁加上一定的电流时，就有一定的磁场，实验可以用毫特斯拉记测量。是当外加磁场时同级相邻裂变环之间的波数差。1111067.4)2/1(4TcmBvmce2、由公式 计算出同级的两个波数差，要求测出两个级次四个波数差。)/()(21(22122KKabbaDDDDdvvv)/()(21(22122KKbccbDDDDdvvv（11）实验注意事项1、在暗室中操作，注意高压安全。2、严禁用手和其它物体触摸F-P标准具等光学元件的光学面以及CCD的芯片。思考题1、当纵向观察 成份时，观察到里圈最亮，这时对应的是 还是？为什么？2、调整法布里珀罗标准具时，如何判别标准具的两个内平面是严格平行的？标准具调整不好会产生怎样的后果？
