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1、WORD完美格式编辑塞曼效应实验实验日期:2016年9月20日星期二试验台号:13一、塞曼效应简介塞曼效应是指光源谱线在外磁场中发生分裂的现象，是近代物理学史上一个著名的实验，证实了原子角动量和磁矩的量子化现象。塞曼及其导师洛伦兹因此而荣获1902年诺贝尔物理学奖。二、实验目的学习观察塞曼效应的方法，通过塞曼效应测量磁感应强度的大小。了解法布里-珀罗（F-P）标准具在观察光谱精细结构中的作用。三、实验原理（1）原子磁矩从经典电磁学知道，一载流线圈的磁场可以用磁矩来表示。原子中的电子绕核运动（轨道
2、运动）的同时，还有自旋运动，另外还有原子核的核自旋运动，它们运动激发的磁场，也用磁矩来描述，称之为原子磁矩。通常情况下，核运动对应的核磁矩可以忽略，所以原子磁矩主要来自于核外电子的轨道运动和自旋运动。用角动量来描述电子的轨道运动和自旋运动，原子中各电子轨道运动角动量的矢量和即原子的轨道角动量PS，考虑LS耦合（轨道自旋耦合），原子的角动量PJ=PL+PS。量子力学理论给出各磁矩与角动量的关系。μL=-μBћPL，μS=-μBћPS，μJ=-gμBћPJ式中，μL为原子的轨道磁矩，μS为原子的自旋
3、磁矩，μJ为原子(总)磁矩。ћ=h/2π，h为普朗克常数，μB=eћ2me为玻尔磁子，e和me分别为电子的电荷和质量，g=1+JJ+1-LL+1+S(S+1)2J(J+1)，为朗德因子。PL=L(L+1)ћ，PS=S(S+1)ћ，PJ=J(J+1)ћ，L为表示原子的轨道量子数，取值：0，1，2…；S为原子的自旋量子数，取值：0,1/2,1,3/2，2,5/2…；J为原子的总角动量量子数，取值：0,1/2,1,3/2…。可以看出，原子角动量的取值是不连续的，这种取离散值的现象称之为角动量的量子化。
4、量子力学理论告诉我们，角动量的取向也是量子化的，PJ在任意方向的投影(如z方向)为：PJz=Mћ，M=-J,-J+1,-J+2,…J-1,J-1,J,因此，原子磁矩也是量子化的，在任意方向的投影(如z方向)为：μJz=-MgμB，M为磁量子数。（2）原子在外磁场中的能级分裂具有磁矩为μJ的原子，在外磁场B中具有的势能（原子在外磁场中获得的附加能量）：U=—μJ·B=MgμBB(1)在外磁场中，原先能量为E原子能级，考虑这一附加能量后，能级变为：专业资料整理WORD完美格式编辑E’=E+MgμBB
5、，根据M的取值规律，每一个能级都分裂为等间隔的（2J+1）个能级。（3）汞546.1nm谱线在磁场中的分裂原子光谱是由原子能级间的跃迁形成的。原子由能级E2跃迁到它的下能级E1，发射谱线的频率v为hv=E1-E2汞原子的绿光谱线波长为546.1nm，是由高能级{6s7s}3S1到低能级{6s6p}3P2能级之间的跃迁，其上下能级有关的量子数值列在表1。3S1、3P2表示汞的原子态，S、P分别表示原子轨道量子数L=0和1，左上角数字由自旋量子数S决定，为（2S+1）,右下角数字表示原子的总角动量量
6、子数J。在外磁场中能级分裂如图1所示。外磁场为0时，只有546.1nm的一条谱线。在外场B的作用下，上能级分裂为3条，下能级分裂为5条。在外磁场中，跃迁的选择定则对磁量子数M的要求为：△M=0，±1，因此，原先546.1nm的一条谱线，在外磁场中分裂为9条谱线。9条谱线的偏振态，量子力学理论可以给出：当△M=0时，产生π谱线，为振动方向平行于磁场的线偏振光。当△M=±1时，产生σ线，为圆偏振光，迎着磁场方向观察时，△M=1的σ线为左旋圆偏振光，△M=-1的σ线为右旋圆偏振光。在垂直于磁场方向观察
7、σ线时，为振动方向垂直于磁场的线偏振光。在垂直于磁场方向观察，9条分裂谱线的强度(以中心546.1nm谱线的强度为100)随频率增加分别为12.5，37.5，75，75，100，75，75，37.5，12.5。上能级下能级外层原子6766原子态3132轨道量子数L01自旋量子数S11总量子数J12朗德因子g23/2磁量子数M1,0,-12,1,0,-1,-2Mg2,0,-23,3/2,0,-3/2,-3表1Hg的546.1nm谱线的上下能级图1Hg的546.1nm谱线的塞曼分裂(4)法布里-珀罗
8、(Fabry-Perot)标准具专业资料整理WORD完美格式编辑本实验通过干涉装置进行塞曼效应的观察。由于Hg绿线的波数1/λ=18312.54cm-1，B=1T时，相邻裂距很小，△（1λ）/（1λ）≈1.3×10-5，属于精细结构光谱分析，干涉条纹必须十分细锐，才能把各谱线分辨出来。为此，我们选择法布里-珀罗标准具(Fabry-Perot，简记为F-P标准具)作为干涉元件。F-P标准具基本组成：两块平行玻璃板，在两板相对的表面镀有较高反射率的薄膜。图2多光束干涉条纹的形成F-P标准具是多光束干
