塞曼效應(yīng)試驗資料

1、塞曼效應(yīng)實驗實驗?zāi)康?觀察汞光在磁場中的塞曼分裂現(xiàn)象2、測量塞曼分裂相鄰能級的波數(shù)差3、學習法布里珀羅標準具的調(diào)節(jié)。實驗儀器塞曼效應(yīng)儀實驗原理(1)能級分裂：原子中的電子作自旋與軌道運動，使得原子具有一定的磁矩"j =g乞Pj，其中2mPj = . J J 為總角動量，在 L S 耦合的情況下朗德因子為g = 1 - - _。原子磁矩在外磁場中受到力矩L = "j B的作用使.LJ繞磁場2J(J +1)ee方向作旋進，產(chǎn)生附加能量 V E - - "jBcos；： =gPjBcosj = Mg B，由于P j在外磁場2m2m中的取向量子化，即磁量子數(shù)M=J , j

2、-1.-J有2J +1個可能值，因而有外磁場時原來的一個能級分裂為2J+1個能級。(2 )光譜分裂：一光譜線在 B=0時，h= E2 - E；B = 0時，新的譜線546.1h、二 E2' E2 - E' E =h> M2g2nm的譜線躍遷的兩能級(3)本實驗觀測波長為546.1 nm的譜線的塞曼分裂躍遷為S r S :3 P 2)為例,e衣B-Mg(選擇定則、M =0,_1 )以汞光2m在有磁場時看能級的塞曼分裂與躍遷：3* P 2 ,在磁場中將發(fā)生反常塞曼效應(yīng)，塞曼裂距為-M 1g1對于如圖所示的分裂有24 二 me2d心）-M lg2Be4： me(d = 2.7m

3、m)(1)Dbk Dak二 分別為相鄰的b譜線a譜線的k-1級干涉環(huán)直徑，Db k為b譜線的第k級干涉環(huán)直徑，d為標準具內(nèi)兩夾板玻璃內(nèi)表面的距離。實驗內(nèi)容與步驟1按圖調(diào)節(jié)光路。汞燈與磁極的距離保持1mm左右，各光學元件共軸，使光源在會聚透鏡焦平面上，光均勻照射到標準具上；調(diào)節(jié)標準具兩平行面嚴格平行，調(diào)整測微目鏡使之觀察到清晰明銳的干涉園環(huán)。（此時不加磁場，調(diào)節(jié)標準具時，望遠鏡遠離標準具才能成清晰的像的部分，調(diào)節(jié)時要壓緊原來不清晰部分方 向的螺絲，望遠鏡靠近標準具才能成清晰的像的部分，調(diào)節(jié)時要放松原來不清晰部分方向的螺絲，直至眼 睛上下左右移動，均無干涉環(huán)吐出或吞進。）2、觀察有磁場及無磁場時的

4、譜線情況（1）在無磁場時觀察譜線的情況。（2）加上磁場，觀察譜線分裂的情況，即譜線的條數(shù)，亮度、區(qū)分譜線的二成份和：成份。在標準具與觀察望遠鏡間加入偏振片，轉(zhuǎn)動偏振片觀察譜線的偏振情況。3、測出Dbk Dak及Dbk，代入（1）式中計算（要求每測量三次取平均值）。實驗注意與思考1. 電磁鐵長時間通較長時間電流（1A以上）線圈會發(fā)熱，故在觀察和測量完以后，要及時減少電流為零。2. 從塞曼分裂譜中如何確定能級的J量子數(shù)，如何確定能級的 g因子？塞曼效應(yīng)原理及實驗方法塞曼分裂譜線與原譜線關(guān)系磁矩在外磁場中受到的作用（1） 原子總磁矩 在外磁場中受到力矩的作用其效果是磁矩繞磁場方向旋進,也就是總角動量

5、（Pj）繞磁場方向旋進。（2） 磁矩在外磁場中的磁能由于屬或誦在磁場中的取向量子化，所以其在磁場方向分量也量子化:原子受磁場作用而旋進引起的附加能量M為磁量子數(shù)，g為朗道因子，表征原子總磁矩和總角動量的關(guān)系，g隨耦合類型 不同（LS耦合和jj耦合）有兩種解法。在LS耦合下：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) M只能取J, J-1, J-2-J （共2J+1）個值 即AE有（2J+1）個可能值。無 外磁場時的一個能級，在外磁場作用下將分裂成（2J+1）個能級，其分裂的能級是等間隔的，且能級間隔塞曼分裂譜線與原譜線關(guān)系（1） 基本出發(fā)點:分裂后譜線與原譜線頻

6、率差由于為方便起見，常表示為波數(shù)差稱為洛侖茲單位定義塞曼分裂譜線的偏振特征塞曼躍遷的選擇定則為： M=0時為n成份（n型偏振）是振動方向平行于磁場的 線偏振光，只有在垂直于磁場方向才能觀察到，平行于磁場方向觀察不到；但當 J=0 時，M2=0到Mi=0的躍遷被禁止。當 M=±l時，為c成份，c型偏振垂直于磁場， 觀察時為振動垂直于磁場的線偏振光。平行于磁場觀察時，其偏振性與磁場方向及觀 察方向都有關(guān)：沿磁場正向觀察時（即磁場方向離開觀察者：） M= +1為右旋圓偏振光（C偏振） M=-1為左旋圓偏振光（C偏振）也即，磁場指 向觀察者時：?；?M= +1為左旋圓偏振光 M=-1為右旋圓

7、偏振光分析的總思路和總原則：在輻射的過程中，原子和發(fā)出的光子作為整體的角動量是守恒的。原子在磁場方向角動量為二 M = M在磁場指向觀察者時屬當 M= +1時，光子角動量為，與同向電磁波電矢量繞逆時針方向轉(zhuǎn)動，在光學上稱為左旋圓偏振光 M=-1時，光子角動量為S，與反向電磁波電矢量繞順時針方向轉(zhuǎn)動，在光學上稱為右旋圓偏振光例：Hg 5461?譜線，6S7S3SL 6S6Pb能級躍遷產(chǎn)生分裂后，相鄰兩譜線的波數(shù)差實驗方法觀察塞曼分裂的方法塞曼分裂的波長差很小由于當處于B=1T的磁場中以Hg 5461 ?譜線為例要觀察如此小的波長差，用般的棱鏡攝譜儀是不可能的，需要用高分辨率的儀器，如法布里一珀羅

8、標準器（FP標準具）FP標準具由平行放置的兩塊平面板組成的，在兩板相對的平面上鍍薄銀膜和其他有較高反射系數(shù)的薄膜。兩平行的鍍銀平面的間隔是由某些熱膨脹系數(shù)很小的材料做成的 環(huán)固定起來。若兩平行的鍍銀平面的間隔不可以改變， 則稱該儀器為法布里一珀羅干涉儀標準具在空氣中使用時，干涉方程（干涉極大值）為標準具有兩個特征 參量自由光譜范圍和分辨本領(lǐng)。自由光譜范圍的物理意義：表明在給定間隔圈原度為 d的標準具中，若入射光的波長在入入+AM（或波數(shù)在間）所產(chǎn)生的干涉圓環(huán)不重疊，若被研究的譜線波長差大于自由光譜范圍，兩套花紋之間就要發(fā)生重疊或錯級，給分析帶來困難,因此在使用標準具時，應(yīng)根據(jù)被研究對象的光譜波

9、長范圍來確定間隔圈的厚度。分辨本領(lǐng):S）對于F P標準具N為精細度，兩相鄰干涉級R為反射率，R 一般在90%.2dL -（當光近似于正入射時）例如：d=5mm，R=90%，入=546.1 nm寸 入=0.001 nm實驗的研究內(nèi)容分析在垂直于磁場與平行于磁場方向觀察 Hg 546.1 nm譜線在磁場中的分裂，區(qū)分n, 2，c譜線，并確定磁場方向。設(shè)計方案，選用合適的FP標準具和改變磁感應(yīng)強度，驗證塞曼分裂的裂距設(shè)計方案用塞曼分裂計算電子的荷質(zhì)比。討論塞曼效應(yīng)研究原子內(nèi)部能級結(jié)構(gòu)的方法和應(yīng)用實驗討論討論（F P）標準具問題 理論上（F P）標準具兩相對反射面距離處處相等，實驗中往往不相等。如何判

10、斷兩反射問題是否處處相等？如果不相等如何判斷哪邊d大，哪邊d小？分析依據(jù)當d相等時，同一入射角B對應(yīng)同一個K,因此干涉環(huán)為同心圓環(huán)。當dT時，KT,因而出現(xiàn)干涉環(huán)吐出，要將對應(yīng)的 d減小實驗中垂直于磁場方向觀察時要求 1. 區(qū)分塞曼分裂中n偏振成分和c偏振成 分。2. 選用合適的標準具，改變勵磁電流觀察c偏振成分，相鄰兩級譜線的重疊。 用特斯拉計測出磁場，與相應(yīng)的理論值比較。問題 為什么改變磁感應(yīng)強度B，會看到相鄰兩級譜線的重疊，且是不同的重疊情況分析 因為改變B可以觀察到干涉紋不同的重疊或錯級情況:自由光譜范圍:F P標準具物理意義：若兩譜線波長差 自由光譜范圍圖（或麗8）,則兩套干涉環(huán)就要

11、產(chǎn)生重疊或錯級。當 d確定后，麗E是個確定的值。塞曼裂距:所以血融I實驗中平行于磁場方向觀察要求區(qū)分c振與&偏振，并說明各自對應(yīng)的馳M或SEMI的躍遷。用的方法是光學中檢驗左、右旋偏振光的方法。實驗中，常常出現(xiàn)的問題是忽略了磁場方向與觀察方向的 關(guān)系。所對應(yīng)的圓偏問題 為什么要強調(diào)磁場方向與觀察方向的關(guān)系? 振光類型與磁場方向關(guān)系。分析 按角動量守恒原則，在輻射過程中原子和發(fā)射的光子作為整體，總的角動量是守恒的。原子在磁場方向角動量當時，原子在磁場方向角動量減少園，因此發(fā)射的光子必定在磁場正方向上有角動量當同指向觀察者時，電矢量繞逆時針方向轉(zhuǎn)動，在光學上叫做左旋圓偏振光。同樣，沿著磁場

12、方向 屈平行于磁場觀察時，觀察到鯉mi對應(yīng)的&偏振為右旋圓偏振光。同理，時原子在磁場方向角動量增加 因此發(fā)射光子必定具有在磁場相反方向上冒的角動量。即：磁場指向觀察者時，這個電磁波電矢量是順時針方向的，即為右旋圓偏振光同學們?nèi)绻麑θ绾舞b別左、右旋圓偏光的原理，方法不清楚可以通過仿真實驗學習塞曼效實驗?zāi)康?.掌握塞曼效應(yīng)理論，測定電子的荷質(zhì)比，確定能級的量子數(shù)和朗德因子， 繪出躍遷的 能級圖。2 掌握法布里-珀羅標準具的原理及使用，CCD攝像器件在圖像傳感中的應(yīng)用。實驗原理 處于電磁場中的發(fā)光體，光譜線發(fā)生分裂的現(xiàn)象，稱為塞曼效應(yīng)，其原理簡述如下:1 .原子中的電子一方面繞核作軌道運動(

13、用角動量PL表征)，一方面本身做自旋運動(用角動量P S表征)，將分別產(chǎn)生軌道磁矩 ML和自旋磁矩MS，它們與角動量的關(guān)系是：PL= P Lms= P S(3 . 1-1 )P L與P S合成總角動量P J并分別繞P J旋進，ML與M合成總磁矩M M在P J延線上的 分量mj才是一個定向恒量。對多電子原子，由于角動量之間的相互作用，有 LS耦合和jj耦合，但大多數(shù)情況是LS 耦合。對于兩個電子，則有 Li、 L2合成L; Si、 S2合成S; L、 S又合成J。因此 M在P j延線上的分量MJ與P J的關(guān)系是：MJ= g P j(3. 1-2)g稱朗德因子。在LS耦合情形，它與L、 S和J的關(guān)

14、系是§= 1+(3 . 1-3)由于L、S和J只能取整數(shù)和半整數(shù)，得出的g是一個簡分數(shù)2 .在外磁場作用下，產(chǎn)生原子磁矩與外磁場的相互耦合，賦予的耦合能量為 E = mjH COSa=Mg 曲H(3 . 1-4)式中m=稱玻爾磁子；M為磁量子數(shù)，是J在磁場方向上的量子化投影。由于 J 一定時, M取值為J， J+ 1，.， J 1， J，即取2J + 1個數(shù)值，所以在外磁場中每一個原子能級(由J表征，稱精細結(jié)構(gòu)能級)都分裂為 2J + 1個等間距的子能級(亦稱磁能級)， 其間距由朗德因子g表征。兩精細能級中磁能級之間的躍遷得到塞曼效應(yīng)觀察到的分裂光譜線，用波數(shù)表示為: = = =（M

15、 2 g 2 M 1 g 1） =（M 2 g 2 M 1 g 1） L （3 . 1- 5）式中L=稱為洛倫茲單位。M的選擇定則是 AM = M 2-M 1 =0,±（3 . 1-6）腳標2、 1分別代表始、終能級，其中 AM=0躍遷譜線稱為n分支線，AM= ±1躍遷 譜線稱為c分支線。3 .光的偏振與角動量守恒在微觀領(lǐng)域中，光的偏振情況是與角動量相關(guān)聯(lián)的， 在躍遷過程中原子與光子組成的系統(tǒng) 除能量守恒外還必須滿足角動量守恒。 AM=0，說明原子躍遷時在磁場方向角動量不變，因 此n光是沿磁場方向振動的線偏振光。 AM=+ 1,說明原子躍遷時在磁場方向角動量減少一 個，則光

16、子獲得在磁場方向的一個角動量 ，因此沿磁場指向方向觀察，為反時針的左旋圓偏 振光（/ ;同理AM= 1，可得順時針的右旋圓偏振光 c。當垂直于磁場方向觀察時（稱橫效應(yīng)），如偏振片平行于磁場，將觀察到 AM=0的n分支 線；如偏振片垂直于磁場，將觀察到AM=±1的c分支線。而沿磁場方向觀察時（稱縱效應(yīng)）， 將只觀察到AM= ±1的左、右旋圓偏振的 c分支線（圖3 . 1-1 ）。4 .若原子磁矩完全由軌道磁矩所貢獻，即 S1 = S2 =0，g 1 =g 2 = 1，得到正常塞曼效應(yīng)，波數(shù)差為 = H=4 .67 X1 0 5 H（cm 1）（3. 1-7）通常情況兩種磁矩同

17、時存在，即 S1 = S2 #0，則g 1和g 2均不為1，稱為反常塞曼效應(yīng)， 波數(shù)差為 =（M 2g 2 M 1 g 1）H（3. 1-8）塞曼效應(yīng)是中等磁場（Hl2特斯拉）對原子作用產(chǎn)生的效應(yīng)，這樣的磁場強度不足以 破壞原子的LS耦合。當磁場較強（幾個特斯拉）時將產(chǎn)生帕邢-拜克效應(yīng)。弱磁場（HV0. 0 1特斯拉）時則應(yīng)考慮核自旋參與耦合（見實驗 3. 2光磁共振）。塞曼效應(yīng)證實了原子具有磁矩和空間量子化， 實驗觀測與理論分析的一致性是對磁量 子數(shù)選擇定則有效性的最好的實驗證明，也是光子的角動量縱向分量有三個可能值（、0、）的最好證明。由塞曼效應(yīng)的實驗結(jié)果可確定有關(guān)原子能級的量子數(shù)M、J和

18、g因子值，并可計算出量子數(shù)L和S的數(shù)值，這些確定均與實驗所用的原子無關(guān)，因而是考查原子結(jié)構(gòu) 的最有效的方法。主要儀器簡介1.法布里-珀羅標準具假定磁場強度H= 1特斯拉，則正常塞曼分裂 =4.67 X10" cm"，對于如此小的 波數(shù)差，必須使用高分辨本領(lǐng)的光譜儀器，例如法布里-珀羅標準具。該儀器由固定間隔d的兩塊平行平晶構(gòu)成，內(nèi)表面均鍍有高反射膜(反射系數(shù)R> 0.9), 因多光束干涉獲得極高的分辨本領(lǐng)。滿足干涉極大的兩相鄰光束的光程差為=2n d cos ©=k 入(3.1- 9)表征法-珀標準具的兩個參量是自由光譜范圍和分辨本領(lǐng)。(1) 自由光譜范圍所

19、謂自由光譜范圍即所能研究的最大光譜范圍，它等于移動一個條紋時波長的改變。如以某單色光為基準，其自由光譜范圍可表示為入=(3.1-10 )更有意義的是用波數(shù)來表示，則有 = =(3.1-11 )即用波數(shù)表征的自由光譜范圍是一僅與間隔厚度及間隔中介質(zhì)折射率有關(guān)的恒量。例如對于 d = 0. 2 00 cm的空氣層，若 A 5 4 6 1?,則后 0. 7 5?, =2.5cm 一 10(2) 分辨本領(lǐng)按照瑞利判據(jù)，分辨本領(lǐng)由透射光強I D最大值的半寬度決定。透射光強I D與反射系數(shù) R及兩相鄰光束的位相差 S的關(guān)系稱為愛里公式：I D= I0(3.1-12 )因而用位相表示的半寬度£,在

20、考慮到R 1時有£(3.1-13 )相應(yīng)可分辨的頻率間隔d與自由光譜范圍 (=c )之間的關(guān)系為=(3.1-14)所以分辨本領(lǐng)的表示式是=(3.1-15 )即分辨本領(lǐng)主要由反射系數(shù)R決定：R越高，分辨本領(lǐng)越大。例如 D = 0. 2 00 cm的空 氣層，對5入= 5 4 6 1?,當R= 0.9時，/d入觀.2 X0，即對5 4 6 1?能分辨的波長差為2.5 X0 J，相應(yīng)的波數(shù)差為8.4 X0 一 CCD攝像器件cm二因此它完全滿足實驗的要求。CCD是電荷耦合器件的簡稱。它是一種金屬-氧化物-半導體結(jié)構(gòu)的新型器件，具有光電 轉(zhuǎn)換、信息存儲和信號傳輸(自掃描)的功能，在圖像傳感、

21、信息處理和存貯多方面有著廣泛 的應(yīng)用。CCD攝像器件是CCD在圖像傳感領(lǐng)域中的重要應(yīng)用。在本實驗中，經(jīng)由法 -珀標準具出 射的多光束，經(jīng)透鏡會聚相干，呈多光束干涉條紋成像于CCD光敏面。利用CCD的光電轉(zhuǎn)換功能，將其轉(zhuǎn)換為電信號"圖像"，由熒光屏顯示。因為CCD是對弱光極為敏感的光放大器 件，故熒屏上呈現(xiàn)明亮、清晰的法-珀干涉圖像。實驗儀器：1.裝置圖：1.電磁鐵 2.汞燈 3.會聚透鏡4.偏振片 5.透射干涉濾光片6.法布里-珀羅標準具7.望遠鏡8.CCD圖象傳感器及鏡頭9.汞燈電源10.磁鐵電源 11.多媒體計算機 12.圖像卡實驗儀器直流磁場及穩(wěn)流電源、毫特斯拉計、筆

22、形汞燈、法布里 -珀羅標準具(d=0.200cm )、 干涉濾色片(5 4 6 1?)、偏振片、CCD攝像頭(安裝在螺旋測微器上)、顯示器。實驗內(nèi)容本實驗僅研究Hg 5461?橫向塞曼效應(yīng)，其光路如圖3.1- 2所示。1 .按圖3.1-2調(diào)節(jié)光路，即以磁場中心到CCD窗口中心的等高線為軸，暫不放置干涉 濾色片，不開啟CCD及顯示器，光源通過L 1以平行光入射法-珀標準具，出射光通過L 2成 像于CCD光敏面。2 .調(diào)節(jié)法-珀標準具的平行度使兩平晶平行，即調(diào)節(jié)法-珀的三個螺絲，使左右上下移動 人眼對著法-珀看到的干涉條紋形狀不變。3 .開啟CCD和顯示器，調(diào)節(jié)CCD上的平移微調(diào)機構(gòu)至熒屏顯示最佳

23、成像狀態(tài)，因汞燈是復色光源，熒屏呈亮而粗條紋。4.放置5 4 6 1干涉濾色片，則熒屏呈現(xiàn)明細的法-珀干涉條紋。5 .開啟磁場電源，觀察熒屏上的分裂的n光和c光條紋隨磁場的變化情況。6 .調(diào)節(jié)螺旋測微器使CCD沿垂直方向移動，貝U熒屏上條紋也相應(yīng)移動。分別測量 n光和c光條紋的直徑。注意：由于 n光和c光所加磁場不同，必須每測量一種成分后用毫 斯特拉計測量光源處的磁場強度。注意事項1 .愛護光學元件表面，不得用手觸摸法-珀平晶和干涉濾色片2 .法-珀標準具是精密光學儀器，調(diào)節(jié)平行度時應(yīng)冷靜分析，細心調(diào)節(jié)，切勿盲動。3. 愛護CCD攝像頭，由于CCD對弱光極為靈敏，切勿用強光直射光敏面，以防過飽

24、 和及損傷器件；光敏面應(yīng)防止灰塵和水汽沾污，切勿用手和紙擦除；實驗完后應(yīng)將蓋子蓋好窗 口。數(shù)據(jù)處理D 2k1 -D 2k數(shù)值的不變性由于(k很小，故(k =D K/f，此處Ok為干涉極大©角的兩倍，D k為條紋直徑， f為成像焦距(圖3.1-3)。因為co s可寫成co s =1- =1-因而由干涉極大條件有K =(1-)即K與D 2k呈一對應(yīng)關(guān)系，所以有1= (D2k-1-D2k)這即是D 2k- 1-D 2k的不變性。如入射光中含有 入和入厶入+d (入代表分裂譜線波長)， 利用入偽d/ K可得到d =K代表K級的分裂條紋，由測得的D k、 D k-1和Dk值計算出D 2k、D2

25、k-1及D2k值，用已 知的nd值可算出分裂波數(shù)值 d。對Hg546 1的分裂，根據(jù)公式-1-1 -1=4. 67X1 0 cm T確定(M 2 g 2M 1 g 1)的數(shù)值，對于 AM=0的n光，理論值(M 2g 2 M 1g 1 )= 1 / 2，將實驗結(jié)果與之比較，計算出誤差。對于 AM= ±的c光，可計算出上、下能級的M、J 和g因子值。由實驗結(jié)果畫出Hg546 1塞曼效應(yīng)躍遷能級圖。由于k很小，故k =D K/f，此處Ok為干涉極大©角的兩倍，D k為條紋直徑, f為成像焦距(圖3.1-3)。因為co s可寫成co s =1- =1-因而由干涉極大條件有K二(1-

26、)即K與D 2k呈一對應(yīng)關(guān)系，所以有1= (D2k-1-D2k )這即是D 2k1 D 2k的不變性。如入射光中含有 入和入厶入+d入(入代表分裂譜線波長)， 利用入"偽d/ K可得到d =K代表K級的分裂條紋，由測得的D k、 D k-1和Dk值計算出D 2k、D2k-1及D2k值，用已 知的nd值可算出分裂波數(shù)值 d。對Hg546 1的分裂，根據(jù)公式1 1 1=4.67X1 0 cm T確定(M 2 g 2M 1 g 1)的數(shù)值，對于 AM=0的n光，理論值(M 2g 2 M 1g 1 )= 1 / 2，將實驗結(jié)果與之比較，計算出誤差。對于 AM= ±的c光，可計算出上

27、、下能級的M、J 和g因子值。由實驗結(jié)果畫出Hg5461塞曼效應(yīng)躍遷能級圖。1 .按圖3.1-2調(diào)節(jié)光路，即以磁場中心到CCD窗口中心的等高線為軸，暫不放置干涉 濾色片，不開啟CCD及顯示器，光源通過L 1以平行光入射法-珀標準具，出射光通過L 2成 像于CCD光敏面。2 .調(diào)節(jié)法-珀標準具的平行度使兩平晶平行，即調(diào)節(jié)法-珀的三個螺絲，使左右上下移動 人眼對著法-珀看到的干涉條紋形狀不變。3 .開啟CCD和顯示器，調(diào)節(jié)CCD上的平移微調(diào)機構(gòu)至熒屏顯示最佳成像狀態(tài)，因汞燈是復色光源，熒屏呈亮而粗條紋。4. 放置5 4 6 1干涉濾色片，則熒屏呈現(xiàn)明細的法-珀干涉條紋。5 .開啟磁場電源，觀察熒屏

28、上的分裂的n光和c光條紋隨磁場的變化情況。6 .調(diào)節(jié)螺旋測微器使CCD沿垂直方向移動，貝U熒屏上條紋也相應(yīng)移動。分別測量 n光和c光條紋的直徑。注意：由于 n光和c光所加磁場不同，必須每測量一種成分后用毫 斯特拉計測量光源處的磁場強度。注意事項1 .愛護光學元件表面，不得用手觸摸法-珀平晶和干涉濾色片。2 .法-珀標準具是精密光學儀器，調(diào)節(jié)平行度時應(yīng)冷靜分析，細心調(diào)節(jié)，切勿盲動。3. 愛護CCD攝像頭，由于CCD對弱光極為靈敏，切勿用強光直射光敏面，以防過飽 和及損傷器件；光敏面應(yīng)防止灰塵和水汽沾污，切勿用手和紙擦除；實驗完后應(yīng)將蓋子蓋好窗 口。數(shù)據(jù)處理D 2k 1 D 2k數(shù)值的不變性由于很

29、小，故=D K/f，此處Ok為干涉極大©角的兩倍，D k為條紋直徑， f為成像焦距(圖3.1-3)。因為co s可寫成co s =1- =1-因而由干涉極大條件有K二(1-)即K與D 2k呈一對應(yīng)關(guān)系，所以有1= (D2k-1-D2k )這即是D 2k 1 D 2k的不變性。如入射光中含有 入和入厶入+d (入代表分裂譜線波長)， 利用入"偽d/K可得到d =K代表K級的分裂條紋，由測得的D k、 D k-1和Dk值計算出D 2k、D2k-1及D2k值，用已 知的nd值可算出分裂波數(shù)值 d。對Hg546 1的分裂，根據(jù)公式1 1 1 =4.67X1 0 cm T確定(M 2

30、 g 2M 1 g 1)的數(shù)值，對于 AM=0的n光，理論值(M 2g 2 M 1g 1 )= 1 / 2，將實驗結(jié)果與之比較，計算出誤差。對于 AM= ±的c光，可計算出上、下能級的M、J 和g因子值。由實驗結(jié)果畫出Hg5461塞曼效應(yīng)躍遷能級圖。由于GK很小，故EK =D K/f,此處Ok為干涉極大©角的兩倍，D k為條紋直徑， f為成像焦距(圖3.1-3)。因為co s可寫成co s =1- =1-因而由干涉極大條件有K二(1-)即K與D 2k呈一對應(yīng)關(guān)系，所以有1= (D2k-1-D2k )這即是D 2k-1 D 2k的不變性。如入射光中含有 入和入厶入+d (入代

31、表分裂譜線波長)， 利用入"偽d/K可得到d =K代表K級的分裂條紋，由測得的D k、D k-1和Dk值計算出D 2k、D2k-1及D2k值，用已知的nd值可算出分裂波數(shù)值 d。對Hg546 1的分裂，根據(jù)公式1 1 1=4.67X1 0 cm T確定(M 2 g 2M 1 g 1)的數(shù)值，對于 AM=0的n光，理論值(M 2g 2 M 1g 1 )= 1 / 2，將實驗結(jié)果與之比較，計算出誤差。對于 AM= ±的c光，可計算出上、下能級的M、J 和g因子值。由實驗結(jié)果畫出Hg5461塞曼效應(yīng)躍遷能級圖。4 .若原子磁矩完全由軌道磁矩所貢獻，即 S1 = S2 =0，g 1

32、=g 2 = 1，得到正常塞曼效應(yīng)，波數(shù)差為5 1 = H=4 . 6 7 X1 0 H(cm )(3. 1-7)通常情況兩種磁矩同時存在，即 S1 = S2丸，則g 1和g 2均不為1，稱為反常塞曼效應(yīng)， 波數(shù)差為 =(M 2 g 2 M 1 g 1) H(3. 1-8)塞曼效應(yīng)是中等磁場（Hl2特斯拉）對原子作用產(chǎn)生的效應(yīng)，這樣的磁場強度不足以 破壞原子的LS耦合。當磁場較強（幾個特斯拉）時將產(chǎn)生帕邢-拜克效應(yīng)。弱磁場（HVO. 0 1特斯拉）時則應(yīng)考慮核自旋參與耦合（見實驗 3. 2光磁共振）。塞曼效應(yīng)證實了原子具有磁矩和空間量子化， 實驗觀測與理論分析的一致性是對磁量 子數(shù)選擇定則有效

33、性的最好的實驗證明，也是光子的角動量縱向分量有三個可能值（、0、）的最好證明。由塞曼效應(yīng)的實驗結(jié)果可確定有關(guān)原子能級的量子數(shù)M、J和g因子值，并可計算出量子數(shù)L和S的數(shù)值，這些確定均與實驗所用的原子無關(guān)，因而是考查原子結(jié)構(gòu) 的最有效的方法。主要儀器簡介1 .法布里-珀羅標準具假定磁場強度H= 1特斯拉，則正常塞曼分裂 =4.67 X101 cm 1,對于如此小的 波數(shù)差，必須使用高分辨本領(lǐng)的光譜儀器，例如法布里 -珀羅標準具。該儀器由固定間隔d的兩塊平行平晶構(gòu)成，內(nèi)表面均鍍有高反射膜（反射系數(shù)R> 0.9）, 因多光束干涉獲得極高的分辨本領(lǐng)。滿足干涉極大的兩相鄰光束的光程差為=2n d

34、cos ©=k 入（3.1- 9）表征法-珀標準具的兩個參量是自由光譜范圍和分辨本領(lǐng)。（1）自由光譜范圍所謂自由光譜范圍即所能研究的最大光譜范圍，它等于移動一個條紋時波長的改變。 如以某單色光為基準，其自由光譜范圍可表示為入=（3.1-10）更有意義的是用波數(shù)來表示，則有 = =（3.1-11 ）即用波數(shù)表征的自由光譜范圍是一僅與間隔厚度及間隔中介質(zhì)折射率有關(guān)的恒量。例如對于1 d = 0. 2 00 cm的空氣層，若 入= 5 4 6 1?,則 = 0. 7 5?, =2.5cm。（2）分辨本領(lǐng)按照瑞利判據(jù)，分辨本領(lǐng)由透射光強I D最大值的半寬度決定。透射光強I D與反射系數(shù) R及

35、兩相鄰光束的位相差 S的關(guān)系稱為愛里公式：I d= Io(3.1-12 )因而用位相表示的半寬度£,在考慮到R "1時有£=( 3.1-13)相應(yīng)可分辨的頻率間隔d與自由光譜范圍 (=c )之間的關(guān)系為=(3.1-14)所以分辨本領(lǐng)的表示式是=(3.1-15 )即分辨本領(lǐng)主要由反射系數(shù)R決定：R越高，分辨本領(lǐng)越大。例如D = 0.2 00 cm的空氣層，對入=5 4 6 1?,當R= 0.9時，V dX".2 X105，即對5 4 6 1?能分辨的波長差為2.5 X10 一2?，相應(yīng)的波數(shù)差為8.4 X10 一 2cmj因此它完全滿足實驗的要求。2. C

36、CD攝像器件CCD是電荷耦合器件的簡稱。它是一種金屬-氧化物-半導體結(jié)構(gòu)的新型器件，具有光電 轉(zhuǎn)換、信息存儲和信號傳輸(自掃描)的功能，在圖像傳感、信息處理和存貯多方面有著廣泛 的應(yīng)用。CCD攝像器件是CCD在圖像傳感領(lǐng)域中的重要應(yīng)用。在本實驗中，經(jīng)由法-珀標準具出射的多光束，經(jīng)透鏡會聚相干，呈多光束干涉條紋成像于CCD光敏面。利用CCD的光電轉(zhuǎn)換功能，將其轉(zhuǎn)換為電信號"圖像"，由熒光屏顯示。因為CCD是對弱光極為敏感的光放大器 件，故熒屏上呈現(xiàn)明亮、清晰的法-珀干涉圖像。實驗儀器：1.裝置圖：1.電磁鐵 2.汞燈 3.會聚透鏡4.偏振片5.透射干涉濾光片6.法布里-珀羅標

37、準具7.望遠鏡8.CCD圖象傳感器及鏡頭9.汞燈電源10.磁鐵電源11.多媒體計算機12.圖像卡實驗儀器直流磁場及穩(wěn)流電源、毫特斯拉計、筆形汞燈、法布里-珀羅標準具(d=0.200cm )、干涉濾色片(5 4 6 1 ?)、偏振片、CCD攝像頭(安裝在螺旋測微器上)、顯示器。實驗內(nèi)容 本實驗僅研究Hg 5461?橫向塞曼效應(yīng)，其光路如圖3.1- 2所示。1 .按圖3.1-2調(diào)節(jié)光路，即以磁場中心到CCD窗口中心的等高線為軸，暫不放置干涉 濾色片，不開啟CCD及顯示器，光源通過L i以平行光入射法-珀標準具，出射光通過L 2成 像于CCD光敏面。2 .調(diào)節(jié)法-珀標準具的平行度使兩平晶平行，即調(diào)節(jié)

38、法-珀的三個螺絲，使左右上下移動 人眼對著法-珀看到的干涉條紋形狀不變。3 .開啟CCD和顯示器，調(diào)節(jié)CCD上的平移微調(diào)機構(gòu)至熒屏顯示最佳成像狀態(tài)，因汞燈是復色光源，熒屏呈亮而粗條紋。4. 放置5 4 6 1干涉濾色片，則熒屏呈現(xiàn)明細的法-珀干涉條紋。5 .開啟磁場電源，觀察熒屏上的分裂的 n光和c光條紋隨磁場的變化情況。6 .調(diào)節(jié)螺旋測微器使CCD沿垂直方向移動，貝U熒屏上條紋也相應(yīng)移動。分別測量 n光和c光條紋的直徑。注意：由于 n光和c光所加磁場不同，必須每測量一種成分后用毫 斯特拉計測量光源處的磁場強度。注意事項1 .愛護光學元件表面，不得用手觸摸法-珀平晶和干涉濾色片。2 .法-珀標準具是精密光學儀器，調(diào)節(jié)平行度時應(yīng)冷靜分析，細心調(diào)節(jié)，切勿盲動。3.愛護CCD攝像頭，由于CCD對弱光極為靈敏，切勿用強光直射光敏面，以防過飽 和及損傷器件；光敏面應(yīng)防止灰塵和水汽沾污，切勿用手和紙擦除；實驗完后應(yīng)將蓋子蓋好窗 口。數(shù)據(jù)處理D 2k i D 2k數(shù)值的不變性由于GK很小，故EK =D K/f，此處Ok為干涉極大©角的兩倍，D k為條紋