02塞曼效应.doc

实验报告：塞曼效应 张贺 PB07210001 一、实验题目： 塞曼效应 二、实验目的： 通过观察并拍摄Hg（546.1nm）谱线在磁场中的分裂情况，测量其裂距并计算荷质比。 三、实验原理： 1、谱线在磁场中的能级分裂 对于多电子原子，角动量之间的相互作用有LS耦合模型和JJ耦合某型。对于LS耦合，电子之间的轨道与轨道角动量的耦合作用及电子间自旋与自旋角动量的耦合作用强，而每个电子的轨道与自旋角动量耦合作用弱。 原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩。总磁矩在磁场中受到力矩的作用而绕磁场方向旋进，可以证明旋进所引起的附加能量为 （1） 其中M为磁量子数，μB为玻尔磁子，B为磁感应强度，g是朗德因子。朗德因子g表征原子的总磁矩和总角动量的关系，定义为 （2） 其中L为总轨道角动量量子数，S为总自旋角动量量子数，J为总角动量量子数。磁量子数M只能取J，J-1，J-2，…，-J，共（2J+1）个值，也即有（2J+1）个可能值。这就是说，无磁场时的一个能级，在外磁场的作用下将分裂成（2J+1）个能级。由式（1）还可以看到，分裂的能级是等间隔的，且能级间隔正比于外磁场B以及朗德因子g。 能级E 1和E 2之间的跃迁产生频率为v的光， 在磁场中，若上、下能级都发生分裂，新谱线的频率v’与能级的关系为 分裂后谱线与原谱线的频率差为 （3） 代入玻尔磁子，得到 （4） 等式两边同除以c，可将式（4）表示为波数差的形式 （5） 令 则 （6） L称为洛伦兹单位， （7） 塞曼跃迁的选择定则为：，为π成为，是振动方向平行于磁场的线偏振光，只在垂直于磁场的方向上才能观察到，平行于磁场的方向上观察不到，但当时，到的跃迁被禁止；，为σ成分，垂直于磁场观察时为振动垂直于磁场的线偏振光，沿磁场正向观察时，为右旋圆偏振光，为左旋圆偏振光。 以汞的546.1nm谱线为例，说明谱线分裂情况。波长546.1nm的谱线是汞原子从{6S 7S}3S1到{6S 6P}3P2能级跃迁时产生的，其上下能级有关的量子数值列在表2.1.1-1中。在磁场作用下能级分裂如图2.1.1-1所示。可见，546.1nm一条谱线在磁场中分裂成九条线，垂直于磁场观察，中间三条谱线为π成分，两边各三条谱线为σ成分；沿着磁场方向观察，π成分不出现，对应的六条σ线分别为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。若原谱线的强度为100，其他各谱线的强度分别约为75、37.5和12.5。在塞曼效应中有一种特殊情况，上下能级的自旋量子数S都等于零，塞曼效应发生在单重态间的跃迁。此时，无磁场时的一条谱线在磁场中分裂成三条谱线。其中对应的仍然是σ态，对应的是π态，分裂后的谱线与原谱线的波数差。由于历史的原因，称这种现象为正常塞曼效应，而前面介绍的称为反常塞曼效应。 四、实验内容： 通过实验观察Hg（546.1nm）绿线在外磁场中的分裂情况并测量。 1、 点燃汞灯预热3分钟，调节光路共轴。 2、 垂直于磁场方向观察塞曼分裂 （1）用间隔圈厚度d=2mm的F-P标准具观察Hg546.1nm谱线的塞曼分裂，调节其处于最佳分辨状态。 （2）将电磁铁电流调至1.4A观察546.1nm谱线的塞曼分裂再用偏振片区分π成分和σ成分。 3、平行于磁场方向观察塞曼分裂 抽出磁极芯，将电磁铁电流调至1.4A观察546.1nm谱线的塞曼分裂。沿磁场方向观察σ线，用偏振片与波片鉴别左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并确定和的跃迁与它们的对应关系。 五、实验现象： 1、垂直磁场方向时 当时，只有中间环，，对应π成分。 当时，同时看到中间环及内、外环。 当时，只有内、外环，对应σ成分 2、平行磁场方向时（加1/4波片，迎着磁场方向，慢为y轴） 在一、三象限，只有内环，右旋，。 在二、四象限，只有外环，左旋，。 在坐标轴上，两环均出现。 六、实验分析： 1、由于塞曼分裂的波长差很小，波长 的谱线，在的磁场中，分裂谱线的波长差只有。为提高分辨率引入F-P标准具，同时也由于利用了多光束干涉原理形成等倾干涉图样——同心圆环，所以实验最终观测到的是同心圆环。 2、根据塞曼效应的选择定则：对应π成分，振动方向平行于磁场的线偏振光，只有垂直磁场方向时才能观测到。对应σ成分，在垂直或平行磁场方向均可观测到，只是现象不同，所以当垂直磁场方向观测时本该同时看到π成分和σ成分，但是由于振动方向不同，观察时是通过偏振片的转动，在不同角度时分别有π谱线和σ谱线透射，并在特定的出现。 3、内外环取决于对应谱线所形成的干涉环的半径，对F-P标准具有。内环对应较小，较大，即对应能量较小，对应上面的讨论知对应分裂谱线能量较小，综上得出： 外环 内环 4、平行磁场方向时，迎着磁场方向观察的，慢轴方向与y轴同向： 当（即在第一象限）时，实验现象是只有内环是亮环，外环消失，即，成分呈现，此时成分光透射。在其他现象可同理推知。 七、误差分析： 1、测量仪器在正常使用过程中测量环境和仪器性能随机涨落的影响。 2、F-P标准具中两反射面不能保证绝对平行。 八、注意事项： 1、光学元件禁止用手触摸，如有污染应用镜头纸擦拭。 2、F-P标准具要轻拿轻放，如已调好干涉图像就不要再动F-P标准具。 3、励磁电源外壳温度如超过体温，须关机15分钟，待冷却后再开机继续实验过程。 九、思考题： 1、如何鉴别F-P标准具的两反射面是否严格平行，如发现不平行应该如何调节？例如，当眼睛向某方向移动，观察到干涉纹从中心冒出来，应如何调节？ 答：由于F-P标准具是利用多光束干涉原理，形成等倾干涉图样——同心圆环，所以鉴别方法是移动视线，改变观察方向，若干涉图样不发生变化说明两反射面严格平行，若中心有吞吐现象则说明并非严格平行。根据可知，沿哪个方向移动视线发现有干涉条纹从中心冒出来，就把这个方向的螺丝拧紧。 3、沿着磁场方向观察，和的跃迁各产生哪种圆偏振光？试用实验现象说明之。 答：当迎着磁场方向时，产生右旋圆偏振光，在一、三象限，只有内环产生左旋圆偏振光，在二、四象限，只有外环。当沿着磁场方向时，产生左旋圆偏振光，产生右旋圆偏振光。 返回首页