物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

1、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center賽 曼 效 應(yīng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center1.賽曼效應(yīng)在大學(xué)物理屬于原子物理范疇的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，它是研究原子的光譜受磁場(chǎng)的影響的一個(gè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)；2.實(shí)驗(yàn)的理論意義和歷史意義；3.本實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center1.塞曼效應(yīng)的簡(jiǎn)介1. 賽曼效應(yīng)在大學(xué)物理屬于原子物理范疇的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，它是研究原子的光譜受磁場(chǎng)的影響的一個(gè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)；2.塞曼效應(yīng)的

2、歷史意義； 塞曼效應(yīng)是物理學(xué)史上一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)。荷蘭物理學(xué)家塞曼在1896年發(fā)現(xiàn)把產(chǎn)生光譜的光源置于足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)作用于發(fā)光體使光譜發(fā)生變化，一條譜線即會(huì)分裂成幾條偏振化的譜線，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center 塞曼效應(yīng)是繼法拉第磁致旋光效應(yīng)之后發(fā)現(xiàn)的又一個(gè)磁光效應(yīng)。這個(gè)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是對(duì)光的電磁理論的有力支持，證實(shí)了原子具有磁矩和空間取向量子化，使人們對(duì)物質(zhì)光譜、原子、分子結(jié)構(gòu)有更多了解，特別是由于及時(shí)得到洛侖茲的理論解釋，更受到人們的重視，被譽(yù)為繼X射線之后物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。 1902年，塞曼與

3、洛侖茲因發(fā)現(xiàn)塞曼效應(yīng)而共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（以表彰他們研究磁場(chǎng)對(duì)光的效應(yīng)所作的特殊貢獻(xiàn)）。 Pieter Zeeman 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center利用高分辨光譜儀（如法布里玻羅標(biāo)準(zhǔn)具或大型光柵攝譜儀等分光設(shè)備）觀察和拍攝汞燈譜線5461埃的塞曼效應(yīng)，并測(cè)量它的波長(zhǎng)差。實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)計(jì) 賽曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是研究原子的光譜在磁場(chǎng)中受磁場(chǎng)影響而變化的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)原子所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同譜線分裂的條數(shù)

4、不同，賽曼效應(yīng)由于歷史的習(xí)慣可分為正常賽曼效應(yīng)和反常賽曼效應(yīng)。通常一條譜線分裂條數(shù)為三條的效應(yīng)叫正常賽曼效應(yīng)(可以用經(jīng)典理論加以解釋)，多于三條的叫反常賽曼效應(yīng)（只能用量子理論解釋）。反常賽曼效應(yīng)通常發(fā)生在磁場(chǎng)很弱或者磁場(chǎng)很強(qiáng)的條件下。 賽曼效應(yīng)的產(chǎn)生源于原子具有磁矩和空間量子化這兩個(gè)微觀屬性。原子的磁矩分為電子的磁矩和原子核的磁矩。電子的磁矩主要分為電子在核外運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的軌道磁矩和電子本身所具有的自旋磁矩。塞曼效應(yīng)主要是磁場(chǎng)和原子內(nèi)電子的磁矩相互作用后的效應(yīng)，不涉及原子核的磁矩問(wèn)題（原子核磁矩比電子的磁矩要小三個(gè)數(shù)量級(jí)）。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & t

5、eaching center 正常賽曼效應(yīng)的產(chǎn)生是由于原子電子的軌道磁矩與磁場(chǎng)作用的結(jié)果。而反常賽曼效應(yīng)則是原子的電子總磁矩（軌道磁矩加自旋磁矩）和磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果，在磁場(chǎng)較弱時(shí)，原子的軌道磁矩與自旋磁矩首先耦合后再和外磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生所謂的一般的反常塞曼效應(yīng)；如果磁場(chǎng)極強(qiáng)時(shí)，則原子的軌道磁矩與自旋磁矩分別和磁場(chǎng)相互作用，從而產(chǎn)生所謂的帕刑巴克效應(yīng)。 下面就原子磁矩和磁場(chǎng)相互作用原理來(lái)定量分析原子譜線分裂行為： 一一 理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)： 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center1.電子的角動(dòng)量和磁矩 電子具有軌道角動(dòng)量 和自旋角動(dòng)量

6、，其值是量子化的，分別為 lP sP 1()lPL L1()sPS S其中L為總軌道角動(dòng)量量子數(shù)，S為總自旋角動(dòng)量量子數(shù)。電子的軌道磁矩和自旋磁矩與軌道磁矩和自旋磁矩的關(guān)系為： 2llePm ssePm ri-enLlS物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center原子的總角動(dòng)量為軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量的和,即jlsPPPls 1()jPJ J2jjegPm 其取值也是量子化的其中J為總角動(dòng)量量子數(shù)。相應(yīng)的原子的總磁矩為軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和 原子的有效磁矩為：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teach

7、ing center111121()()()()J JL LS SgJ J jMB 其中g(shù)為朗德因子，它表征原子總磁矩和總角動(dòng)量的關(guān)系，其值決定于軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量的耦合形式，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： 2.原子所受到的力矩和在磁場(chǎng)中的能量移動(dòng) 原子由于磁矩的存在，在磁場(chǎng)中就會(huì)受到磁場(chǎng)的力矩作用，原子的總磁矩在外磁場(chǎng)中受到的力矩為： BJ物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center2coscosjjjeEBBgBPm 4BehEMgBMgBm 力矩使原子的總磁矩繞磁場(chǎng)方向旋進(jìn)，也就是總角動(dòng)量繞磁場(chǎng)方

8、向旋進(jìn),旋進(jìn)會(huì)引起原子能級(jí)的附加能量為： 其中， 為玻爾磁子。由于原子總角動(dòng)量在磁場(chǎng)中的取向是量子化的，即4/Behm cosjPM M稱為磁量子數(shù)，只能取 共2J+1個(gè)值。代入上式有 1,MJJJ 其中 稱為玻爾磁子。上式告訴我們，E有(2J+1)個(gè)可能值，也就是說(shuō)無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)的一個(gè)能級(jí)，在外磁場(chǎng)作用下將分裂成（2J+1）個(gè)能級(jí)，其分裂的能級(jí)是等間隔的，且能級(jí)間隔為。B 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center2/32P例：2/32P2/3 , 2/1 , 2/1, 2/32/3MJ分裂為四條2/32/12/12/32/32P能級(jí)有它的

9、g因子設(shè)頻率為 的光譜線是由原子的上能級(jí)E2躍遷到下能級(jí)E1所產(chǎn)生的，則此譜線的頻率滿足 在外磁場(chǎng)中，上下能級(jí)都將獲得一個(gè)附加能量 21EE 3.原子在磁場(chǎng)中的能級(jí)分裂111BEM gB 222BEM gB 因此，每個(gè)能級(jí)各分裂成個(gè)2J21和2J11個(gè)子能級(jí).物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center這樣上下兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷將產(chǎn)生頻率為 的譜線,滿足： BgMgMhhB1122meBgMgM41122BmceBLLgMgM1511221067. 4411線禁戒）時(shí)，線（當(dāng)1000MMJM躍遷選擇定則:物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics e

10、xperiment & teaching center 本實(shí)驗(yàn)的光源為汞放電管，研究Hg的5460埃譜線的賽曼分裂。Hg 5461譜線是6S7S3S1 6S6P3P2能級(jí)躍遷產(chǎn)生的。 M Mg1 20 0-1 -22 31 3/20 0-1 -3/2-2 -33S1 3P2 0B 0B 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center二 實(shí)驗(yàn)方法： 1.法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)器（FP標(biāo)準(zhǔn)具） 由于塞曼效應(yīng)波長(zhǎng)分裂后的波長(zhǎng)差很小,為以Hg 5461 譜線為例，當(dāng)處于B=1T的磁場(chǎng)中時(shí)，2 111223 35/.Lm 21110m 要觀察如此小的波

11、長(zhǎng)差，用一般的棱鏡攝譜儀是不可能的，需要用高分辨率的法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)器（FP標(biāo)準(zhǔn)具）。FP標(biāo)準(zhǔn)具由平行放置的兩塊平面板組成的，在兩板相對(duì)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(lái)。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珀羅干涉儀。 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching centerF-P干涉方程（干涉極大值）為 2 cosdk 其中k為關(guān)涉級(jí)數(shù)。 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center2.FP標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)量波長(zhǎng)

12、差的方法從FP標(biāo)準(zhǔn)具中透射出來(lái)的平行光，經(jīng)焦距為f的透鏡成像在焦平面上，形成同心的干涉園環(huán)，其直徑為D，如圖有tg D f2/Df tg 222218cos()Dddkf 221218cos/Df 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching centerk1kkD對(duì)于不同波長(zhǎng) 和 的同次級(jí)k的干涉園環(huán)有 對(duì)于相同波長(zhǎng) 和的不同次級(jí)k和k1級(jí)的干涉園環(huán)有 dfDDkk22,2),1(4ba)()(4)(,2),1(2,2,22,2,2,kkbkakbkakbkakDDkDDkfDDd物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & te

13、aching center546 1 . nm 參考參數(shù)：汞2 /kd 代入：)(2)(,2),1(2,2,22,kkbkakbkakDDdDD)(21,2),1(2,2,2kkakbkDDDDd物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center31191010956. 910602192. 1eme1210175880. 0eme221222kkkkDDDDBdcme2.FP標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)量測(cè)電子荷質(zhì)比測(cè)電子荷質(zhì)比( (不做）不做）物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center二、實(shí)驗(yàn)儀器與裝置二、實(shí)驗(yàn)儀器與裝置圖1-3-5 塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置圖物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching centerF-PF-P標(biāo)準(zhǔn)具（法布標(biāo)準(zhǔn)具（法布里里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具）珀羅標(biāo)準(zhǔn)具） 透鏡：增強(qiáng)光強(qiáng)透鏡：增強(qiáng)光強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teaching center濾波片：根據(jù)實(shí)驗(yàn)選擇所觀察的波長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)濾光片得到Hg-546.1nm的譜線 ：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 Physics experiment & teach