塞曼效應(yīng)報(bào)告

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康姆治鲈诖怪庇诖艌?chǎng)與平行于磁場(chǎng)方向觀察Hg546.1nmπ，σ+，σ-譜線，并確定磁場(chǎng)方向。強(qiáng)度B的關(guān)系。設(shè)計(jì)方案用塞曼分裂的波數(shù)差計(jì)算電子的荷質(zhì)比。討論塞曼效應(yīng)研究原子內(nèi)部能級(jí)結(jié)構(gòu)的方法和應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、F-P1/4波片、線[凸透鏡。2、本實(shí)驗(yàn)為數(shù)字模擬實(shí)驗(yàn)，以上儀器全部為軟件中模擬存在。三、實(shí)驗(yàn)原理1、塞曼分裂譜線與原譜線關(guān)系1磁矩在外磁場(chǎng)中受到的作用原子總磁矩 在外磁場(chǎng)中受到力矩的作用：其效果是磁矩繞磁場(chǎng)方向旋進(jìn)，也就是總角動(dòng)量（PJ）繞磁場(chǎng)方向旋進(jìn)。磁矩在外磁場(chǎng)中的磁能：由于 或 在磁場(chǎng)中的取向量子化，所以其在磁場(chǎng)方向分量也量子化：∴原子受磁場(chǎng)作用而旋進(jìn)引起的附加能量M為磁量子數(shù)g耦合和jj有兩種解法。在LS其中：LSJM只能取J，J-1，J-2??-J（共2J+1）個(gè)值，即ΔE有(2J+1)個(gè)可能值。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2塞曼分裂譜線與原譜線關(guān)系：基本出發(fā)點(diǎn)：∴分裂后譜線與原譜線頻率差由于為方便起見(jiàn)，常表示為波數(shù)差定義 為洛侖茲單位：2、譜線的偏振特征：ΔM=0時(shí)為π成份型偏振）是振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)的線偏振光，只有在垂直于磁場(chǎng)方向才能觀察到，平行于磁場(chǎng)方向觀察不到；但當(dāng)ΔJ=0時(shí)，M0M=0的躍遷被禁止。2 1ΔM=±1時(shí)，為σ平行于磁場(chǎng)觀察時(shí)，其偏振性與磁場(chǎng)方向及觀察方向都有關(guān)：沿磁場(chǎng)正向觀察時(shí)（即磁場(chǎng)方向離開(kāi)觀察者： ）ΔM=+1為右旋圓偏振光（σΔM=-1為左旋圓偏振光（σ

+偏振）-偏振）也即，磁場(chǎng)指向觀察者時(shí)：⊙ΔM=+1為左旋圓偏振光ΔM=-1為右旋圓偏振光分析的總思路和總原則:原子在磁場(chǎng)方向角動(dòng)量為：∴在磁場(chǎng)指向觀察者時(shí)：⊙當(dāng)ΔM=時(shí)，光子角動(dòng)量為 ，與同向電磁波電矢量繞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，在光學(xué)上稱(chēng)為左旋圓偏振光。ΔM=-1時(shí)，光子角動(dòng)量為， 與反向電磁波電矢量繞順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，在光學(xué)上稱(chēng)為右旋圓偏振光。例：Hg5461?譜線，{6S7S}3S→{6S6P}3P能級(jí)躍遷產(chǎn)生1 2分裂后，相鄰兩譜線的波數(shù)差3、觀察塞曼分裂的方法原理塞曼分裂的波長(zhǎng)差很小由于 以Hg5461?譜線為例當(dāng)處于B=1T的磁場(chǎng)中里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)器。測(cè)量塞曼分裂譜線波長(zhǎng)差的方法。F-P標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)量各分裂譜線的波長(zhǎng)或波長(zhǎng)差是通過(guò)測(cè)量干涉環(huán)的直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)的tanD/f射角為的圓環(huán)的直徑D與透鏡焦距f間的關(guān)系為，

2 很小，可認(rèn)為sintan，而 2 D2cos12sin2 1 1 2 2 8f2代入式2dcosK得2dcos2d1D2K 8f

（1）由上式可推得，同一波長(zhǎng)λ相鄰兩級(jí)K和（K-1）級(jí)圓環(huán)直徑的平方差4f2D

D2K

D2K

D （2）可見(jiàn)D2是與干涉級(jí)次無(wú)關(guān)的常數(shù)。λ 設(shè)波長(zhǎng) 和 的第K級(jí)干涉圓環(huán)的直徑分別為D和D，由式和λ a b a bd D2D2 (D2D2) b a a b 4f2K b

a D2 D2K2dK將 代入，得

KKD2D2 b a 波長(zhǎng)差

2dD2 D2KK1D2D2 b a 波數(shù)差

2dD2 D2KK測(cè)量時(shí)用（K-2）或（K-3）級(jí)圓環(huán)。由于標(biāo)準(zhǔn)具間隔厚度d比波長(zhǎng)λ大得多，中心處圓環(huán)的干涉級(jí)數(shù)K是很大的，因此用（K-2）或（K-3）代替K，引入的誤差可忽略不計(jì)。4、法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)器（F—P標(biāo)準(zhǔn)具）F—P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定起來(lái)。若兩平行的鍍銀平面的間隔不可以改變，則稱(chēng)該儀器為法布里—珀羅干涉儀。標(biāo)準(zhǔn)具在空氣中使用時(shí)，干涉方程（干涉極大值）為標(biāo)準(zhǔn)具有兩個(gè)特征參量自由光譜范圍和分辨本領(lǐng)。：表明在給定間隔圈原度為d的標(biāo)準(zhǔn)具中，若入射光的波長(zhǎng)在λ～λ+Δλ 間（或波數(shù)間）所產(chǎn)生的干涉圓環(huán)不重疊，若被研究的譜線標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)，應(yīng)根據(jù)被研究對(duì)象的光譜波長(zhǎng)范圍來(lái)確定間隔圈的厚度。分辨本領(lǐng)（ 對(duì)于F—P標(biāo)準(zhǔn)具N為精細(xì)度，兩相鄰干涉級(jí)間能夠分辨的最大條紋數(shù)R為反射率，R一般在90%四、實(shí)驗(yàn)步驟

（當(dāng)光近似于正入射時(shí)）1、垂直磁場(chǎng)方向觀察塞曼分裂按照實(shí)驗(yàn)光路圖，安排個(gè)裝置的正確位置；（實(shí)驗(yàn)光路圖）打開(kāi)水銀輝光放電管電源；調(diào)節(jié)個(gè)儀器的光路使其共軸；調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)具；儀器調(diào)好后，鑒別兩種偏振成分：偏振片視窗上的紅線表示偏振片透振方向，鼠標(biāo)左方向會(huì)做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，望遠(yuǎn)鏡視窗中的分裂線也會(huì)隨透振方向的改變而改變。觀察塞曼裂距的變化：1鼠標(biāo)左鍵單擊（或按下不放望遠(yuǎn)鏡視窗中的塞曼裂距發(fā)生變化；鼠標(biāo)右鍵單擊或按下不放2坐標(biāo)圖移動(dòng)，根據(jù)記錄的電流值，查出相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值。2、平行于磁場(chǎng)方向觀察塞曼分裂按照實(shí)驗(yàn)光路圖，安排個(gè)裝置的正確位置；（實(shí)驗(yàn)光路圖）打開(kāi)水銀輝光放電管電源；調(diào)節(jié)個(gè)儀器的光路使其共軸；調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)具；做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，望遠(yuǎn)鏡視窗中的分裂環(huán)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。五、實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果與分析１、垂直于磁場(chǎng)方向觀察塞曼分裂：觀察結(jié)果：當(dāng)偏振方向垂直于磁場(chǎng)方向時(shí)，只有中央三環(huán)消失，兩邊各有三環(huán)出現(xiàn)；當(dāng)偏振方向平行于磁場(chǎng)方向時(shí)，只有中央三環(huán)出現(xiàn)，兩邊各有三環(huán)消失。分析：按照實(shí)驗(yàn)原理中對(duì)Hg546.1nm的譜線的一些簡(jiǎn)單介紹可知，中央三環(huán)為π成分，兩邊六環(huán)為成分。由譜線在磁場(chǎng)中的能級(jí)分裂遵循塞曼躍遷的選擇定則可知，當(dāng)=0（即偏振方向平行于磁場(chǎng)方向）時(shí)，對(duì)應(yīng)的塞曼分裂譜線為成分，是振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)的線偏振光，只在垂直于磁場(chǎng)的方向才能觀察得到；（即偏振方向垂直于磁場(chǎng)方向）時(shí)，對(duì)應(yīng)塞曼分裂譜線為成分，垂直磁場(chǎng)觀察時(shí)為振動(dòng)方向垂直于磁場(chǎng)的線偏振光。理論與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相吻合。觀察結(jié)果：當(dāng)偏振方向在一、三象限時(shí)，只有外內(nèi)環(huán)出現(xiàn)；當(dāng)偏振方向在二、四象限時(shí)，只有外環(huán)出現(xiàn)；分析：成分（正負(fù)）+45度（第一象限）+成分的--45度（第四象限環(huán)交替消失的原因。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理1、數(shù)據(jù)記錄一一二三四五電流I/A1.201.401.652.002.90磁場(chǎng)強(qiáng)度B/mt5256357509001155數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)重疊情況： 因?yàn)橛杏忠驗(yàn)?12d

，d為5mm,所以~為定值，為100m1。有446.7B 98.07m113.546.7B2

103.79m1~ 346.7B 105.07m1~3~ 2.546.7B 105.07m1~4~ 246.7B 107.87m1~5所以驗(yàn)證結(jié)果大致相同。e2、設(shè)計(jì)用塞曼分裂計(jì)算荷質(zhì)比m：對(duì)于正常塞曼效應(yīng)，分裂的波數(shù)差為L(zhǎng) eB4mc代入測(cè)量波數(shù)差公式，得e cD2D2 K b a Da和Db分別為波長(zhǎng)λa和λb的第K級(jí)干涉圓環(huán)的直徑，Km dB

D2K

D2，D2K

D2K

為同一波長(zhǎng)λ相鄰兩級(jí)K和（K-1）級(jí)圓環(huán)直徑的平方差。已知d和B，從塞曼分裂的照片測(cè)出各環(huán)直徑，就可計(jì)算e/m。七、思考題、1、理論上（F—P）標(biāo)準(zhǔn)具兩相對(duì)反射面距離處處相等，實(shí)驗(yàn)中往往不相等。如何判斷兩反射問(wèn)題是否處處相等？如果不相等如何判斷哪邊d大，哪邊d小？解：依據(jù)d相等時(shí)，同一入射角θ對(duì)應(yīng)同一個(gè)d減小。2、為什么改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B，會(huì)看到相鄰兩級(jí)譜線的重疊，且是不同的重疊情況。解：因?yàn)楦淖傿可以觀察到干涉紋不同的重疊或錯(cuò)級(jí)情況：F—P標(biāo)準(zhǔn)具自由光譜范圍：物理意義：若兩譜線波長(zhǎng)差>自由光譜范圍級(jí)。

（或 ，則兩套干涉環(huán)就要產(chǎn)生重疊或錯(cuò)d塞曼裂距：

是個(gè)確定的值。所以3、為什么要強(qiáng)調(diào)磁場(chǎng)方向與觀察方向的關(guān)系？， 所對(duì)應(yīng)的圓偏振光類(lèi)型與磁場(chǎng)方向關(guān)系。解：按角動(dòng)量守恒原則，在輻射過(guò)程中原子和發(fā)射的光子作為整體，總的角動(dòng)量是守恒的。原子在磁場(chǎng)方向角動(dòng)量當(dāng) 時(shí)，原子在