《塞曼效应》word版

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1、塞曼效应1.实验目的1.1.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。1.2.掌握法布里—珀罗标准具的原理和使用。1.3.观察塞曼效应现象，并把实验结果和理论结果进行比较，同时了解使用CCD及多媒体计算进行实验图像测量的方法。2.实验仪器研究塞曼效应的实验仪器包括：电磁铁，汞灯，会聚透镜，偏振片，透射干涉滤光片，法布里-珀罗标准具，望远镜，CCD图像传感器及镜头，汞灯电源，磁铁电源，多媒体计算机和图像卡。将这些仪器按照图5-1组装后即可用于与实验。图5-1塞曼效应实验装置示意图在本实验

2、中，于电磁铁的两极之间放上一支水银辉光放电灯，用交流电源220v通过自耦变压器接电灯变压器点燃放电管。自耦变压器用来调节放电管的电流强度。实验中把自耦变压器调节到75V上。电磁铁用直流稳压电源供电，电流与磁场的关系可用高斯计进行测量，使用电磁铁时要先接通冷却水，然后慢慢调节自耦变压器，使磁场电流缓慢达到5A。注意磁场电流不准超过5A，以免电磁铁电源烧坏。多媒体计算机采用Pentium-133以上机型，加装视频多媒体组件，工作于32位Windows操作环境。视频多媒体组件的核心是多媒体图像采集卡，可将输入的PAL或NTSC制视

3、频信号解码并转换为数字信息，此信息可用于在计算机显示器上同步显示所输入的电视图像，并可作进一步的分析处理。本实验中用CCD作为光探测器，通过图像卡使F-P标准具的干涉花样成像在计算机显示器上，实验者可使用本实验专用的实时图像处理软件读取实验数据。3.实验原理3.1.塞曼效应简介当光源放在足够强的磁场中时，所发出的光谱线都分裂成几条，条数随能级的类别而不同，而分裂后的谱线是偏振的，这种现象被称为塞曼效应。塞曼效应证实了原子具有磁距和空间取向量子化的现象。塞曼效应分为正常塞曼效应和反常塞曼效应。正常塞曼效应是指那些谱线分裂为三条

4、，而且两边的两条与中间的频率差正好等于，对于这种现象，经典理论可以给予很好的解释。7但实际上大多数谱线的分裂多于三条，谱线的裂距是的简单分数倍，这种现象被称为反常塞曼效应。下面具体讨论塞曼效应中外磁场对原子能级的作用。1.1.原子的总磁矩与总动量矩的关系因为原子中的电子同时具有轨道角动量PL和自旋角动量Ps。相应的，它也同时具有轨道磁矩轨道微矩和自旋磁矩，并且它们有如下关系。(5-1)其中(5-2)(5-2)式中L,S分别表示轨道量子数和自旋量子数。原子核也有磁矩，但它比一个电子的磁矩要小三个数量级，故在计算单电子原子的磁矩

5、时可以把原予核的磁矩忽略，只计算电子的磁矩。 对于多电子原，考虑到原子总角动量和总磁矩为零，故只对其原子外层价电子进行累加。磁矩的计算可用图5-2的矢量图来进行。图5-2电子磁矩与角动量关系由于μS与Ps的比值比μL与PL的比值大一倍，所以合成的原子总磁矩不在总动量矩PJ的方向上。但由于μ绕PJ运动，只有μ在PJ方向的投影μJ对外平均效果不为零。根据图5-2可计算出有μJ与PJ的关系如下。(5-3)上式中的g就是郎德因子。它表征了原子的总磁矩与总角动量的关系，而且决定了能级在磁场中分裂的大小。在考虑LS耦合的情况下，郎德因子

6、可按下式计算。(5-4)71.1.外磁场对原子能级作用原子的总磁矩在外磁场中受到力矩L的作用，可按下式计算。       (5-5)力矩L使总角动量发生旋进，角动量的改变的方向就是力矩的方向。原子受磁场作用而旋进所引起的附加能量如下      (5-6)其中角α和β的意义如图5-3所示。图5-3原子总磁矩受场作用发生的旋进由于或在磁场中的取向是量子化的，也就是PJ在磁场方向的分量是量子化的，PJ的分量只能是h的整数倍。(5-7)其中M称为磁量子数，M=J,(J-l),……,-J，共有2J+1个M值。、将(5-7)式代到(5-

7、6)式可得   (5-8)这样，无外磁场时的一个能级，在外磁场的作用下可以分裂成2J+1个子能级。每个子能级的附加能量由(5-8)式决定，它正比于外磁场磁感应强度B和郎德因子g。1.2.塞曼效应的选择定则设谱线是由E1和E2两能级间跃迁产生的，此谱线的频率由下式确定      (5-9)在外场作用下的能级E2和E1分别分裂为(2J2+l)和(2Jl+l)个能级，附加能量分别是ΔE2和ΔE1，产生出新的谱线频率可由下式确定      (5-10)那么分裂后谱线与原谱线的频率差为7   (5-11)引入波数使用波数差来表示频率差

8、(5-12)跃迁必须满足以下选择定则i.当M＝0，垂直于磁场方向观察，产生π线，为光振动方向平行于磁场方向的线偏振光(当J=0，M2=0→Ml=0除外，如汞的4358埃谱线就有此情况)。平行于磁场方向观察不到π线，即其强度为零。ii.当M＝±1，垂直于磁场方向观察时，可观察到σ线，为光振动