塞曼效应实验报告

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1、近代物理实验报告塞曼效应实验学院班级姓名学号时间2014年3月16日塞曼效应实验实验报告【摘要】：本实验通过塞曼效应仪与一些观察装置观察汞（Hg）546.1nm谱线（3S1→3P2跃迁）的塞曼分裂，从理论上解释、分析实验现象，而后给出横效应塞满分裂线的波数增量，最后得出荷质比。【关键词】：塞曼效应、汞546.1nm、横效应、塞满分裂线、荷质比【引言】：塞曼效应是原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象，是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的。首先他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂；随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成3条的

2、原因，这种现象称为“塞曼效应”。在后来进一步研究发现，很多原子的光谱在磁场中的分裂情况有别于前面的分裂情况，更为复杂，称为反常塞曼效应。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。【正

3、文】：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2

4、J+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）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

5、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。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，

6、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

7、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

8、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二、实验仪器与装置该实验可采用多种仪器与方法，一般常用的是在塞曼效应仪上加以不同的观察装置。观察塞曼效应的实验装置图如下所示：汞灯光由会聚透镜成平行光，经滤光片后546.1埃光入射到F—P标准具上，由偏振片鉴别成分