塞曼效應(yīng)實驗

1、中國石油大學近代物理實驗實驗報告 成 績：班級姓名：同組者：教師：塞曼效應(yīng)實驗【實驗?zāi)康摹?、觀測塞曼效應(yīng)，把實驗結(jié)果與理論結(jié)果進行比較。2、學習測量塞曼效應(yīng)的實驗方法。3、測量在磁場中譜線裂距并計算荷質(zhì)比?！緦嶒炘怼?、譜線在磁場中的塞曼分裂原子中電子的軌道磁矩和自旋磁矩合成原子的總磁矩?？偞啪卦诖艌鲋袑⑹艿搅氐淖饔枚@磁場方向旋進。旋進所引起的附加能量為E Mg bB(3-3-1).J(J 1) L(L1) S(S 1)g 1(3-3-2)2J(J 1)其中L為總軌道角動量量子數(shù)，S為總自旋角動量量子數(shù)，J為總角動量量子數(shù)。對于LS耦合，當J 一定時，磁量子數(shù) M只能取J, J-1,

2、J-2,，（，共（2J+1）個值。所以，無磁場時的一個能級，在外磁場的作用下將分裂成 （2J+1）個等間隔的子能級，能級間距為g BB。無外磁場時，能級E1和E2之間的躍遷產(chǎn)生頻率為 v的光，即h E2 E1。而在磁場中，能級 曰和E2都發(fā)生分裂，一條光譜線將變?yōu)閹讞l光譜線。如果是分裂為三條，稱為正 常塞曼效應(yīng)，多于三條的稱為反常塞曼效應(yīng)。新譜線的頻率v 與能級的關(guān)系為h E2E2E1 已(3-3-3)分裂后譜線與原譜線的頻率差為M 2g2 M 1 g 1 B B/h(3-3-4)代入波爾磁子he-得到mM 2 g2M 1 g1eB4 m(3-3-5)若用波數(shù)表示，則M2g2MQ1eB4 mc

3、(3-3-6)引入洛倫茲單位LeB4 mcB 46.7 m 1 T 1，則M 2g2M 1g1 L (3-3-7)42、觀測塞曼分裂的方法塞曼分裂的波長差很小， 一般的攝譜儀器是無法分辨的， 必須采用分辨率較高的干涉型 譜儀，如邁克爾迅干涉儀、法布里一波羅( Fabry Perot)標準具等。實驗中，我們采用法 布里一波羅標準具，其簡稱 F P標準具。圖3-3-2F P標準具結(jié)構(gòu)與光路圖F P標準具的光路如圖 3-3-2所示。自擴展光源 S上任一點發(fā)出的單色光射到標準具 板的平行平面上，經(jīng)過Mi和M2表面的多次反射和透射，分別形成一系列相互平行的反射光束1、2、3、4、和透射光速I 、2、3、

4、4、，在透射的光束中，相鄰兩光束的光 程差為 2nd cos ，這一系列平行并有確定光程差的光束在無窮遠處或透鏡的焦平面上 成干涉像。當光程差為波長的整數(shù)倍時產(chǎn)生干涉極大值。一般情況下FP標準具反射膜間是空氣介質(zhì)，n 1，因此干涉極大值為2d cos k(3-3-8)k為整數(shù)，稱為干涉級。由于FP標準具的間隔d是固定的，在波長入不變的情況下，不同的干涉級對應(yīng)不同的入射角因此，使用擴展光源時，F(xiàn) P標準具產(chǎn)生等傾干涉，干涉條紋是一組同心圓環(huán)。中心圓環(huán)級次最大， kmax 一，級次越向外越小。用F - P標準具測量塞曼分裂譜線波長差應(yīng)用F - P標準具測量各分裂譜線的波長或波長差，是通過測量干涉環(huán)

5、的直徑來實現(xiàn)的，如圖3-3-2所示，用透鏡把 F P標準具的于涉圓環(huán)成像在焦平面上，出射角為B的圓環(huán)直 徑D與透鏡焦距f間滿足關(guān)系：ta nD2f對于近中心的圓環(huán)，B很小， tan ，所以代人(3-3-8)式得cos221 2si n21 -2 2D28f 22dD21 8f2(3-3-9)(3-3-10)4 fD Dk1 Dk 飛可見D2是與干涉級次無關(guān)的常數(shù)。設(shè)波長入a和入b的第k級干涉圓環(huán)的直徑分別為 Da和Db,根據(jù)上兩式得波長差為用波數(shù)表示2Db2D22dDk 1Dk1Db2Da2dD21D2abab(3-3-11)(3-3-12)由于FP標準具間隔圈厚度 d比波長入大得多，中心處圓

6、環(huán)的干涉級數(shù)k是很大的,因此用（k-2）或（k-3）等近中心圓環(huán)代替k或（k-1）引入的誤差可忽略不計。%根據(jù)（3-3-7）式，對于正常塞曼效應(yīng)分裂的波數(shù)差為-L旦4 mc用F-P標準具觀測塞曼分裂，計算荷質(zhì)比代人（3-3-12 ）式，得e 2 c D： D；2 2m dB Dk 1 Dk(3-3-13)對于反常塞曼效應(yīng)，分裂后相鄰譜線的波數(shù)差是洛倫茲單位 一點，用同樣的方法也可計算電子荷質(zhì)比。L的某一倍數(shù)，注意到這【實驗裝置】1、光源 2、電磁鐵 3、會聚透鏡 4、偏振片 5、干涉濾光片6、F P標準具7、CCD攝像機 8、計算機【實驗數(shù)據(jù)處理】圖1. n線圖圖2.。線圖EfiH圖3. n線

7、與。線共存圖Hg未加磁場時，能級不發(fā)生分裂，電腦顯示的干涉條紋是一組同心圓環(huán)。加磁場后，(546.1 nm)綠線發(fā)生塞曼分裂，轉(zhuǎn)動偏振片，偏振片角度與線平行時，會看到分裂圖樣 為三條的b線，偏振片與n線平行時會看到六條的n線，當兩條線在偏振片方向投影均不為零時b線與n線共存的九條分裂譜線。圖4. n成分的塞曼分裂條紋的處理分析圖磁場 B=1.15T得荷質(zhì)比為e/m 1.79 1011C/kg相對 E= (1.83-1.79) /1.79X 100%=2.23%誤差分析：實驗誤差可能是由于 F-P標準具未調(diào)節(jié)平行， 圖像模糊選點不準確， 產(chǎn)生測量誤差。外界 電磁場的干擾，以及實驗儀器本身存在一定

8、的誤差?！舅伎碱}解答】1、如何鑒別F P標準具的兩反射面是否嚴格平行，如發(fā)現(xiàn)不平行應(yīng)該如何調(diào)節(jié)？答：在計算機顯示器上若出現(xiàn)清晰的明暗相間胡的圓環(huán)則兩反射面嚴格平行，否則就不 嚴格平行。若聯(lián)平行則調(diào)節(jié) F P標準具后面的三個螺絲，先固定一個調(diào)另外兩個，使顯示 器上出現(xiàn)清晰的明暗相間胡的圓環(huán)，從而精確調(diào)節(jié)兩玻璃板內(nèi)表面之間的平行度。2、F P標準具與牛頓環(huán)裝置、邁克爾遜干涉儀在工作原理和干涉圖樣上有何區(qū)別？答：牛頓環(huán)是一種用分振方法實現(xiàn)的等厚干涉現(xiàn)象，是一些明暗相間的同心圓環(huán)。邁克 爾遜干涉儀是一種分振幅雙光束干涉儀，用屏觀察干涉花樣時， 取不同的空間位置和空間取向，原則上可以觀察到圓、橢圓、雙曲線和直線條紋。塞曼效應(yīng)所產(chǎn)生的干涉圖中，每級產(chǎn) 生3條條紋，中間的級數(shù)最小。而牛頓環(huán)中間級數(shù)最大?！究偨Y(jié)反思】通過本次對塞曼效應(yīng)的觀測，我學會了測量塞曼效應(yīng)的實驗方法，并計算得出了磁場 中譜線裂距并和荷質(zhì)比。本次試驗的重點與難點是對儀器調(diào)節(jié)，要想試驗成功需要先調(diào)節(jié)出清晰的無磁場曲線, 從而才能在后