塞曼效应实验报告

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1、关于塞曼效应的虚拟实验报告前言：1896年荷兰物理学家塞曼发现光谱线在磁场中发生分裂额现象，后来洛伦兹对其成功的做出了解释。塞曼效应的发现及其解释对研究原子中电子的角动量和反应角动量耦合作用的朗德因子等原子结构信息由重要作用。塞曼效应是法拉第磁效致旋光效应之后发现的又一个磁光效应。这个现象的发现是对光的电磁理论的有力支持，证实了原子具有磁矩和空间取向量子化。实验背景：塞曼效应的发现使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解，塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之

2、一。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场。本实验采取Fabry-Perot（以下简称F-P）标准具观察Hg的546.1nm谱线的塞曼效应，同时利用塞满效应测量电子的荷质比。实验原理：一、塞曼分裂谱线与原谱线关系1、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

3、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2、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为洛仑兹单位：3、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）

4、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：U）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

5、。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

6、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

7、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实验仪器：图1:塞曼效应实验装置图2:F-P标准具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的。实际中两块平板不可能一直绝对平行，所以实验中还需要用3个旋

8、钮来调平。图3:汞灯本实验用汞辉光放电灯，电源用交流220V通过自耦变压器接到霓虹灯变压器上，由霓虹灯变压器点燃就电管。自耦变压器用来调节放电管的电流强度。电磁铁用30V/5A直流稳压电源供电。电流与磁场的关系可用毫特斯拉计进行测量。