最新塞曼效应实验解读.docx

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最新塞曼效应实验解读

塞曼效应实验解读

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L—S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546.1ｎｍ的谱线跃迁的两能级（３Ｓ１　　３Ｐ２）为例，在有磁场时看能级的塞曼分裂与跃迁：

（3）本实验观测波长为546.1ｎｍ的谱线的塞曼分裂跃迁为３Ｓ１　　３Ｐ２，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１ｍｍ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，直至眼睛上下左右移动，均无干涉环吐出或吞进。

）

２、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。

３、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

⏹       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ΔE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

（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

⏹       塞曼分裂谱线的偏振特征

     塞曼跃迁的选择定则为：

ΔM=0时为π成份（π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ΔJ=0时，M2=0到M1=0的跃迁被禁止。

当ΔM=±1时，为σ成份，σ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：

⊗

）

ΔM=+1为右旋圆偏振光（σ+偏振）ΔM=-1为左旋圆偏振光（σ-偏振）也即，磁场指向观察者时：

⊙

ΔM=+1为左旋圆偏振光ΔM=-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ΔM=+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。

ΔM=-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：

Hg5461Å谱线，{6S7S}3S1→{6S6P}3P2能级跃迁产生

分裂后，相邻两谱线的波数差

⏹       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Hg5461Å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，需要用高分辨率的仪器，如法布里—珀罗标准器（F—P标准具）。

F—P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λ～λ+Δλ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F—P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%，λ=546.1nm时Δλ=0.001nm

实验的研究内容

⏹       分析在垂直于磁场与平行于磁场方向观察Hg546.1nm谱线在磁场中的分裂，区分π，σ+，σ-谱线，并确定磁场方向。

⏹       设计方案，选用合适的F—P标准具和改变磁感应强度

，验证塞曼分裂的裂距

⏹       设计方案用塞曼分裂计算电子的荷质比。

⏹       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

⏹       讨论（F—P）标准具

问题理论上（F—P）标准具两相对反射面距离处处相等，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θ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。

⏹       实验中垂直于磁场方向观察时要求1.       区分塞曼分裂中π偏振成分和σ偏振成分。

2.       选用合适的标准具，改变励磁电流观察σ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：

     F—P标准具

自由光谱范围：

物理意义：

若两谱线波长差>自由光谱范围

（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

 ⏹       实验中平行于磁场方向观察

要求区分σ+振与σ-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。

同样，沿着磁场方向

平行于磁场观察时，观察到

对应的σ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

１．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。

２．掌握法布里-珀罗标准具的原理及使用，ＣＣＤ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ＰL表征），一方面本身做自旋运动（用角动量ＰS表征），将分别产生轨道磁矩μL和自旋磁矩μS，它们与角动量的关系是：

　　　　　　　　　　　μL＝－ＰL 　　　　　　μS＝－ＰS          （3．1-1）

ＰL与ＰS合成总角动量ＰJ并分别绕ＰJ旋进，μL与μS合成总磁矩μ，　μ在ＰJ延线上的分量μJ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μ在ＰJ延线上的分量μJ与ＰJ的关系是：

μJ＝－gＰJ                   （3．1-2）

ｇ称朗德因子。

在LS耦合情形，它与L、　S和J的关系是ｇ＝1+               （3．1-3）

由于L、　S和J只能取整数和半整数，得出的ｇ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，赋予的耦合能量为

ΔＥ＝－μJＨcosα＝ＭｇμBＨ          （3．1-4）

式中μB=称玻尔磁子；Ｍ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，Ｍ取值为－J，　－J＋1，　...，　J－1，　J，即取2J＋1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2J＋1个等间距的子能级（亦称磁能级），其间距由朗德因子ｇ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：

△＝＝＝（Ｍ2ｇ2－Ｍ1ｇ1）＝（Ｍ2ｇ2－Ｍ1ｇ1）L（3．1-５）

式中L=称为洛伦兹单位。

Ｍ的选择定则是ΔＭ＝Ｍ2－Ｍ1＝０，　±1             （3．1-6）

脚标2、　1分别代表始、终能级，其中ΔＭ＝０跃迁谱线称为π分支线，ΔＭ＝±1跃迁谱线称为σ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。

ΔＭ＝０，说明原子跃迁时在磁场方向角动量不变，因此π光是沿磁场方向振动的线偏振光。

ΔＭ＝＋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σ＋；同理ΔＭ＝－1，可得顺时针的右旋圆偏振光σ－。

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ΔＭ＝０的π分支线；如偏振片垂直于磁场，将观察到ΔＭ＝±1的σ分支线。

而沿磁场方向观察时（称纵效应），将只观察到ΔＭ＝±1的左、右旋圆偏振的σ分支线（图3．1-1）。

4．若原子磁矩完全由轨道磁矩所贡献，