塞曼效应实验.ppt

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1、塞曼效应实验林崴0630072037906光科塞曼效应实验实验简介实验目的实验原理实验内容实验分析塞曼效应实验简介1896年，荷兰物理学家塞曼发现钠光源放在足够强的磁场中，双线在磁场中都有增宽现象，即原来的钠双线分裂成几条光谱线。从而得出了：把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线---这种现象称为塞曼效应。塞曼效应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，使人们对物质光谱、原子、分子结构有更多了解。同时有力地证明了电子自旋假设是正确的，能级的分裂是由于电子的轨

2、道磁矩和自旋磁矩相互作用的结果。实验目的了解塞曼效应在研究原子内部结构方面的应用了解各仪器的作用，F-P标准具的使用学习观察低压汞灯的谱线在磁场中塞曼分裂谱线,观察偏振态实验原理原子中的电子的磁矩和角动量总磁矩其中，L为轨道磁矩，S为自旋磁矩。B为玻尔磁子,B=0.5788×10-4eV/T当有外磁场时，原子中总磁矩只有平行于J的分量起作用，成为有效磁矩，用J表示。=g其中g为朗德因子，g=1+实验原理塞曼效应在外磁场中，磁矩具有一附加取向势能其中，Mj可以在-J和J之间取2J+1个整数值。因此，无磁场中的一

3、个能级，在磁场的作用下因具有2J+1个附加能量而分裂成2J+1个支能级。它相对于原来能级的移动为。设某一光谱线是由能级E2和E1之间的跃迁而产生的，则其谱线的频率υ同能级有：hυ=E2-E1在外磁场作用下，从上能级各子能级到下能级各子能级的跃迁产生的光谱线频率υ＇:实验原理塞曼效应因此，有磁场时的谱线与原谱线的频率差为：换以波数差来表示其中L=称为洛仑兹单位。L=46.68B/m,Ｂ的单位用T（特斯拉）。实验原理选择定则（1）ΔJ=J2-J1=0,±1；但是J1、J2不能同时为0（2）ΔMJ=MJ2-MJ1=0,±

4、1当ΔMJ=0，为π成分，沿磁场方向不可见。当ΔMJ=±1为σ成分。垂直于磁场观察时为振动垂直于磁场的线偏振光。实验原理F-P标准具在透镜的焦平面上发生干涉、光程差为波长整数倍时产生干涉极大值：Δ=2ntcosθ=mλ不同的干涉级数m对应不同的入射角θ。在扩展光源照明下，F-P标准具产生等倾干涉，它的干涉花纹是一组同心圆环。实验内容调节F-P平行度扫描无磁场时的汞546.1nm谱线加上磁场，扫描汞546.1nm谱线的塞曼分裂谱线加上偏振片，扫描谱线的σ成分和π成分实验分析.实验主体基本仪器功能及其调节①汞灯：谱线的宽度

5、主要是由光源决定的；低压放电光源；细长状，管径小，减小磁铁的磁极间隙；He-Ne激光源激发；避免伤害眼睛。②透镜L1：将汞灯发出的发散光变成平行光，更多地收集到F-P标准具上。③滤光片：滤去与实验无关波段（如紫外）的光，避免了干扰。④L2聚光透镜：将经过F-P标准具后的平行光聚焦到观察窗尾部，即光电倍增管入口处。实验分析.F-P标准具的平行度调节为了提高实验稳定性，本实验采用气压扫描的方式，固定间隔环的F-P标准具，通过改变F-P标准具两平行板间气压P来改变折射率n，最终改变光程差Δ。这样，扫描时不会破坏二镜的平行性。

6、采用固定间隔环的F-P标准具的稳定性好，对震动干扰不敏感。粗调平行度：在观察窗尾接小孔，增大气压P，从小孔中观察，若条纹往某个方向移，那个方向较薄，应该增大它的厚度。最终视野中应该是一片亮或者暗。精调平行度：将小孔拿开，直接观察圆环。移动眼睛的位置使圆环在视场中向某个方向移，观察圆环的吞吐情况。实验分析.F-P标准具的平行度调节如图F-P标准具中两平板不平行情况分析光程差Δ=2ntcosθ=mλ时产生衍射极大。对于同一级次衍射圆环（假设m级），t1cosθ2，即θ1<θ2这样也导致了出射的平行光经

7、过L2聚焦后的斑点下移了，也就是相邻级次间的距离变大了，圆环变疏。圆环往某方向移动，若圈圈向外吐出，说明相邻级次之间距离变大，也就是这个方向的厚度较厚，要将此方向上的螺丝逆时针旋转，使之变薄。直至眼睛在各个方向上移动时，圆环均不出现吞吐情况，则可以认为F-P标准具的平行调节基本完成。实验分析.观察汞546.1nm谱线其中低谷“a”为改变了微电流计量程至10-8档后的图像。说明微电流计的放大量程决定了图像的幅度。红色的是噪声组。对比后可以得出，汞灯谱线上的毛刺是由于噪声引起的，不是汞谱线本身的不稳定因素造成的。故在后面的

8、分析中可以用曲线平滑来平均噪声的干扰。紫色的一组线为高压较大的一组，其超量程了。说明高压的大小决定了光电倍增管的放大倍率。实验分析.观察汞546.1nm谱线精细度=x1/x2=（1.108-1.752）/(1.098-1.134)=17.9>15说明测出的F-P标准具的精细度符合实验要求。自然线宽：由Δν*τ≈1/2π，得Δν=1