塞曼效應(yīng)與法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1、 塞曼效應(yīng)與法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)姓名：田紀(jì)遨 學(xué)號(hào)：U201210122班級(jí)：物理學(xué)1201班 同組成員：王安居（應(yīng)物1201班）摘要：實(shí)驗(yàn)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(jì)算電子荷質(zhì)比以及利用已有的儀器設(shè)備，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量樣品的費(fèi)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(fèi)爾德常數(shù)一、引 言塞曼效應(yīng)是同一原子能級(jí)上不同量子態(tài)在量子軸（如磁場(chǎng)方向）上的磁矩投影具有不同的期望值，因而在外磁場(chǎng)作用下發(fā)生能級(jí)分裂的現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)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(jì)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(chǎng)或磁化強(qiáng)度方向通過(guò)介

2、質(zhì)時(shí)偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)計(jì)測(cè)量其費(fèi)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(dòng)量為軌道磁矩為角動(dòng)量與磁矩的模型自旋角動(dòng)量為 自旋磁矩為 軌道總角動(dòng)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(dòng)量量子數(shù)，角動(dòng)量量子數(shù)，自旋量子數(shù)。精細(xì)能級(jí)上不同磁量子數(shù)m的量子態(tài)在磁場(chǎng)中的附加能為這樣，無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)的一個(gè)能級(jí)在外磁場(chǎng)作用下分裂為個(gè)子能級(jí)。2.汞綠線的塞曼效應(yīng)本實(shí)驗(yàn)中所觀察的汞綠線對(duì)應(yīng)于 躍遷。與這兩能級(jí)及其塞曼分裂能級(jí)對(duì)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(hào)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(qiáng)度矢量）選擇定則KB（橫向）KB（縱向）m= 0（躍遷）線偏振，EB無(wú)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(jí)在外磁場(chǎng)中分別分裂為三個(gè)和五個(gè)子能級(jí)，選擇規(guī)則允許的九種躍遷譜線及其相對(duì)強(qiáng)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(shí)n=1，相長(zhǎng)干涉的條件是標(biāo)準(zhǔn)具的精細(xì)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(zhǎng)的測(cè)量 電子的荷質(zhì)比1為 (其中和為同一序不同波長(zhǎng)的圓環(huán)對(duì)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(fèi)爾德常數(shù)定義為其中d為光在介質(zhì)中通過(guò)的路程，為光通過(guò)介質(zhì)后偏振面旋轉(zhuǎn)的角度，為光所通過(guò)方向的磁場(chǎng)方向。三、方 法1實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)在FD-FZ-C型法拉第效應(yīng)塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀上完成。主要由實(shí)驗(yàn)主機(jī)、勵(lì)磁電源、電磁鐵、轉(zhuǎn)臺(tái)、光學(xué)導(dǎo)軌、激光器、起偏器、檢偏器、探測(cè)器、會(huì)聚透鏡（薄透鏡）、干涉濾色片、F-P標(biāo)準(zhǔn)具、CCD相機(jī)等組成。2實(shí)驗(yàn)程序2.1塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)1.利用毫特斯拉計(jì)測(cè)量電磁鐵中心的磁感應(yīng)強(qiáng)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(gè)殼斑中的9個(gè)干涉環(huán)，標(biāo)記處k級(jí)，k+1級(jí)和k-1級(jí)，利用軟件擬合，測(cè)量荷質(zhì)比4.利用起偏器和檢偏器觀察激光在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下激光功率的變化，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2.2法拉第效應(yīng)費(fèi)爾德常數(shù)的測(cè)量設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)光電探測(cè)器的讀數(shù)最大，安上檢偏器，調(diào)節(jié)檢偏器使光電探測(cè)器的讀數(shù)最小。 (3)加上磁場(chǎng)之后，光電探測(cè)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(shí)的偏轉(zhuǎn)的角度。這樣重復(fù)測(cè)量幾組數(shù)據(jù)。四、數(shù)據(jù)分析1 電磁體磁

6、場(chǎng)與電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系用特斯拉計(jì)測(cè)得電磁鐵中部L/3的部位磁場(chǎng)比較均勻，該范圍還比較大，所以之后實(shí)驗(yàn)不用很精確地尋找電磁鐵縫隙中部。測(cè)量磁場(chǎng)隨電流變化的數(shù)據(jù)如下表所示：電流（A）電壓（V）磁場(chǎng)（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(gè)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(gè)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(shí)的磁場(chǎng)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(cè)量樣品的費(fèi)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(cè)量帶來(lái)的統(tǒng)計(jì)不確定度（第一類不確定度），由經(jīng)驗(yàn)公式得到費(fèi)爾德常數(shù)的測(cè)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(shí)驗(yàn)改進(jìn)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(guò)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(shí)更輕松地找到光強(qiáng)最低點(diǎn)。2.對(duì)于費(fèi)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(cè)值，從而更容易測(cè)量。五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)與感想 此次實(shí)驗(yàn)我們成功通過(guò)塞曼效應(yīng)測(cè)出電子荷質(zhì)比以及通過(guò)磁旋光效應(yīng)測(cè)出材料的費(fèi)爾德常數(shù)，開(kāi)始因?yàn)閷?duì)F-P標(biāo)準(zhǔn)具不了解，比清楚汞燈透過(guò)標(biāo)