塞曼效应实验报告材料.doc

《塞曼效应实验报告材料.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、塞曼效应实验报告一、实验目的与实验仪器1.实验目的（1）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。（2）学习一种测量电子荷质比的方法。2.实验仪器笔形汞灯+电磁铁装置，聚光透镜，偏振片，546nm滤光片，F-P标准具，标准具间距（d=2mm），成像物镜与测微目镜组合而成的测量望远镜。二、实验原理（要求与提示：限400字以，实验原理图须用手绘后贴图的方式）1.塞曼效应（1）原子磁矩和角动量关系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L，考虑L-S耦合（轨道-自旋耦合），原子的角动量J

2、=L+S。量子力学理论给出各磁矩与角动量的关系：L=-L，L=S=-S，S=由上式可知，原子总磁矩和总角动量不共线。则原子总磁矩在总角动量方向上的分量J为：J=gJ，J=L为表示原子的轨道角量子数，取值：0，1，2…S为原子的自旋角量子数，取值：0,1/2,1,3/2，2,5/2…J为原子的总角量子数，取值：0,1/2,1,3/2…式中，g=1+为朗德因子。（2）原子在外磁场中的能级分裂外磁场存在时，与角动量平行的磁矩分量J与磁场有相互作用，与角动量垂直的磁矩分量与磁场无相互作用。由于角动量的取向是量子化的，J在任意方向的投影(如z方向)为：=M，

3、M=-J,-(J-1),-(J-2),…,J-2,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：=-Mg式中，玻尔磁子μB=，M为磁量子数。具有磁矩为J的原子，在外磁场中具有的势能（原子在外磁场中获得的附加能量）：ΔE=-J·=MgB则根据M的取值规律，磁矩在空间有几个量子化取值，则在外场中每一个能级都分裂为等间隔的（2J+1）个塞曼子能级。原子发光过程中，原来两能级之间电子跃迁产生的一条光谱线也分裂成几条光谱线。这个现象叫塞曼效应。2.塞曼子能级跃迁选择定则（1）选择定则未加磁场前，能级E2和E1之间跃迁光谱满足：hν=E

4、2-E1加上磁场后，新谱线频率与能级之间关系满足：hν’=(E2+ΔE2)–(E1+ΔE1)则频率差：hΔν=ΔE2-ΔE1=M2g2B-M1g1B=(M2g2-M1g1)B跃迁选择定则必须满足：ΔM=0，±1（2）偏振定则当△M=0时，产生π线，为振动方向平行于磁场的线偏振光，可在垂直磁场方向看到。当△M=±1时，产生σ谱线，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σ线时，为振动方向垂直于磁场的线偏振光。3.汞546.1nm谱线在磁场中的分裂能级3S13P2L01S11J1

5、2g23/2M10-1210-1-2Mg20-233/20-3/2-3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子数J。在外磁场中能级分裂如图所示。外磁场为0时，只有546.1nm的一条谱线。在外场的作用下，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，

6、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：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12.5，37.5，75，75，100，75，75，37.5，12.5.4.F-P标准具本实验通过干涉装置进行塞曼效应的观察。我们选择法布里-珀罗标准具(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。多光束干涉条纹的形成一束光以小角度θ射入F-P标准具后，在标准具的A、B两平行玻璃板的表面之间经

7、过多次反射，分成相互平行的多束光从B板外表面出射，经透镜将会聚于其焦平面上产生干涉。由于旋转对称性，同一入射角θ在其焦平面上汇聚成一圆环。设A、B两平行玻璃板表面间的距离为d，两板间介质折射率n，则相邻两平行光束的光程差△=2ndcosθ.产生干涉主极大(亮纹)的条件为：△=2ndcosθ=kλ，k为整数由于标准具间距d固定，在波长λ不变的情况下，不同的干涉级次对应不同的入射角θ.在Hg灯照明下，相同的入射角，都将汇聚在同一个干涉圆环上。因此，F-P标准具是等倾干涉装置，干涉条纹是一系列的同心圆环，中心处级次最高。5.微小波长差测定用透镜把F-P标

8、准具的干涉圆环成像在焦平面上，干涉圆环的直径分布信息反映在谱线的频谱分布特征。设统一波长(如)相邻级次k和k-1级圆环直径