塞曼效應(yīng)與法拉第效應(yīng)實驗

1、 塞曼效應(yīng)與法拉第效應(yīng)實驗姓名：田紀(jì)遨 學(xué)號：U201210122班級：物理學(xué)1201班 同組成員：王安居（應(yīng)物1201班）摘要：實驗主要是觀察汞原子546.1nm譜線的分裂現(xiàn)象以及它們偏振狀態(tài)，并計算電子荷質(zhì)比以及利用已有的儀器設(shè)備，設(shè)計實驗方法測量樣品的費爾德常數(shù)，并做誤差分析。關(guān)鍵詞：塞曼效應(yīng) 法拉第效應(yīng) 費爾德常數(shù)一、引 言塞曼效應(yīng)是同一原子能級上不同量子態(tài)在量子軸（如磁場方向）上的磁矩投影具有不同的期望值，因而在外磁場作用下發(fā)生能級分裂的現(xiàn)象。本實驗主要是觀察汞原子546.1nm譜線的分裂現(xiàn)象以及它們偏振狀態(tài)，并計算電子荷質(zhì)比。法拉第效應(yīng)是指一束線偏振光沿外加磁場或磁化強度方向通過介

2、質(zhì)時偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。本實驗通過設(shè)計測量其費爾德常數(shù)。z二、原 理1.塞曼效應(yīng)如圖以氫原子為例，考慮軌道和自旋相互作用. 軌道角動量為軌道磁矩為角動量與磁矩的模型自旋角動量為 自旋磁矩為 軌道總角動量為 軌道總磁矩 其中g(shù) 為朗德因子 其中j, l, s分別為總角動量量子數(shù)，角動量量子數(shù)，自旋量子數(shù)。精細能級上不同磁量子數(shù)m的量子態(tài)在磁場中的附加能為這樣，無外磁場時的一個能級在外磁場作用下分裂為個子能級。2.汞綠線的塞曼效應(yīng)本實驗中所觀察的汞綠線對應(yīng)于 躍遷。與這兩能級及其塞曼分裂能級對應(yīng)的量子數(shù)和朗德因子值，以及躍遷線偏振態(tài)列在表1和表2中.表格 1汞綠線始末原子態(tài)量子數(shù)及朗德因子原子態(tài)

3、符號73S163P2l01s11j12g23/2m1，0，-12，1，0，-1，-2mg2，0，-23，3/2，0，-3/2，-3表2. 塞曼線的偏振態(tài)（K為光波矢量； B為磁感應(yīng)強度矢量）選擇定則KB（橫向）KB（縱向）m= 0（躍遷）線偏振，EB無光m=1線偏振，EB右旋圓偏振光m=1線偏振，EB左旋圓偏振光汞綠線上下能級在外磁場中分別分裂為三個和五個子能級，選擇規(guī)則允許的九種躍遷譜線及其相對強度如圖所示。3.法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的多光路干涉圖如下任何相鄰光束間的光程差是一樣的，即在空氣中使用標(biāo)準(zhǔn)具時n=1，相長干涉的條件是標(biāo)準(zhǔn)具的精細度F (其中R為標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)表面的反射率)

4、自由光譜范圍 波長的測量 電子的荷質(zhì)比1為 (其中和為同一序不同波長的圓環(huán)對應(yīng)的直徑)4.法拉第效應(yīng)2法拉第的磁致旋光效應(yīng)圖如圖所示其中費爾德常數(shù)定義為其中d為光在介質(zhì)中通過的路程，為光通過介質(zhì)后偏振面旋轉(zhuǎn)的角度，為光所通過方向的磁場方向。三、方 法1實驗儀器本實驗在FD-FZ-C型法拉第效應(yīng)塞曼效應(yīng)實驗儀上完成。主要由實驗主機、勵磁電源、電磁鐵、轉(zhuǎn)臺、光學(xué)導(dǎo)軌、激光器、起偏器、檢偏器、探測器、會聚透鏡（薄透鏡）、干涉濾色片、F-P標(biāo)準(zhǔn)具、CCD相機等組成。2實驗程序2.1塞曼效應(yīng)實驗1.利用毫特斯拉計測量電磁鐵中心的磁感應(yīng)強度2.搭建光路；3.調(diào)整光路：各光學(xué)器件等高共軸；利用汞燈觀察干涉環(huán)

5、，在攝像頭中收集到的圖像看到每一個殼斑中的9個干涉環(huán)，標(biāo)記處k級，k+1級和k-1級，利用軟件擬合，測量荷質(zhì)比4.利用起偏器和檢偏器觀察激光在不同磁場強度下激光功率的變化，記錄實驗數(shù)據(jù)2.2法拉第效應(yīng)費爾德常數(shù)的測量設(shè)計的實驗光路如圖所示，采用的方法為正交消光法 (1)按照光路圖搭建好實驗光路，各光學(xué)器件的水平軸線保持在同一水平高度(2)撤去檢偏器，調(diào)節(jié)激光使得其偏振方向與起偏器的方向相同這時光電探測器的讀數(shù)最大，安上檢偏器，調(diào)節(jié)檢偏器使光電探測器的讀數(shù)最小。 (3)加上磁場之后，光電探測器的讀數(shù)變大，調(diào)節(jié)檢偏器使其讀數(shù)最小，記下此時的偏轉(zhuǎn)的角度。這樣重復(fù)測量幾組數(shù)據(jù)。四、數(shù)據(jù)分析1 電磁體磁

6、場與電流的對應(yīng)關(guān)系用特斯拉計測得電磁鐵中部L/3的部位磁場比較均勻，該范圍還比較大，所以之后實驗不用很精確地尋找電磁鐵縫隙中部。測量磁場隨電流變化的數(shù)據(jù)如下表所示：電流（A）電壓（V）磁場（mT）0070.52.81670.7142341.116.33581.528.64881.75105592.1912.66962.514.47922.7315.7861317.29373.2218.59963.4519.810513.662110923.9122.511374.1523.911754.2824.611924.4725.812174.7227.21246所得關(guān)系如下：明顯看出之后小部分偏離線性

7、關(guān)系。取前10個數(shù)據(jù)直線擬合如下線性度 0.9999，完全可認(rèn)為是線性關(guān)系4.2汞原子546.1nm譜線的塞曼效應(yīng)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具，使兩個反射面高精度平行，所得到的干涉條紋的圖樣如下圖所示此時的磁場為87mT。由于軟件的局限性，數(shù)據(jù)隨圓環(huán)的選取而有較大不同4.3測量樣品的費爾德常數(shù) 小樣品（6.2mm）數(shù)據(jù)如下：檢偏器角度/° 激光功率/W083.22038.8407.55601.6498025.110064.6120105.9140125.1160112.618083.220038.32207.422401.35726023.828063300103.8320121.7340116.33

8、6082.3分布如下：考慮到多次測量帶來的統(tǒng)計不確定度（第一類不確定度），由經(jīng)驗公式得到費爾德常數(shù)的測量值為： 大樣品檢偏器角度/° 激光功率/W0117.920106.94072.36031.5804.461003.0312027.414064.5160100.8180117.5200107.222073.624032.62604.952802.5530024.932065.2340101.8360117.74.3.3 實驗改進1.在加檢偏器之前用起偏器找到激光偏振最大的方向，使激光經(jīng)過檢偏器后成為較理想的偏振光，這樣可以在利用正交消光法時更輕松地找到光強最低點。2.對于費爾德常數(shù)很小的材料，利用反光鏡增加光程，利用光杠桿放大角度變化，從而放大了偏轉(zhuǎn)角的觀測值，從而更容易測量。五、實驗總結(jié)與感想 此次實驗我們成功通過塞曼效應(yīng)測出電子荷質(zhì)比以及通過磁旋光效應(yīng)測出材料的費爾德常數(shù)，開始因為對F-P標(biāo)準(zhǔn)具不了解，比清楚汞燈透過標(biāo)