凌朋的塞曼效应(1).doc

塞曼效应 凌朋 PB05210356 实验目的： 本实验通过观察并拍摄Hg（546.1nm）谱线在磁场中的分裂情况，研究塞曼分裂谱的特征。学习应用塞曼效应测量电子的荷质比，和研究原子能级结构的方法。 实验原理： 1、谱线在磁场中的能级分裂 旋进所引起的附加能量为 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。 M只能取角动量量子数J的奇数倍，即 M=（2J+1） 故而在磁场的作用下，原来的一个能级会分裂成（2J+1）个能级，相应的，附加能量也就有（2J+1）种状态了，再通过，观察不同的谱线即可验证能级的变化。 2、引用塞曼跃迁的选择定则：，为π成分，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。 3、Hg的3S1能级有-1、0、1三种磁量子态，3P2能级有-2、-1、0、1、2五种磁量子态，根据塞曼跃迁效应，可以产生9条谱线，其中各有三条对应着π成分、右旋圆偏振光的σ成分以及左旋圆偏振光的σ成分。 4、法布里-帕罗模具根据多光束干涉原理有公式 其中，n为介质中的折射率，由于实验条件一般为在空气中，所以n=1.00028，取n=1；t为F-P的厚度，为模具内第m级亮纹的折射角。由上述公式易知，当从中心吐出条纹时，表明中心的干涉条纹级数m变大，故而模具的厚度t变大。由可得： 在近似情况下，有，所以，自由光谱范围。 另由相位差半角值宽度可得，色分辨率 实验内容： 1、 仪器准备 由塞曼效应产生的原理，需要产生光的Hg光源和磁场，由于需要将波长为546.1nm的绿光分离出来，需要滤波片，为了观察很小的，因此选择了相应的F-P标准具和透镜， 由此组成了如下观测仪器： 仔细调节F-P标准具到最佳分辨状态，即要求两个镀膜面完全平行。此时用眼睛直接观察F-P标准具，当眼睛上、下、左、右移动时，圆环中心没有吞吐现象。 2、 垂直于磁场方向观察塞曼分裂 打开Hg光源，先观察干涉图像，在未加磁场的情况下观察发现条纹清晰，此时转动偏振片发现图像并未发生变化。 将电磁铁电源打开，调节电流为1.4 A，此时产生的磁场越位1T。 （1）当偏振片与磁场正交时，一级条纹只能看到最内层和最外层的两圈亮条纹，每层条纹又分为三条。此时所看到的条纹就是成分，这是由于成分的光为振动方向垂直于磁场方向的线偏振光，； （2）当偏振片与磁场平行时，每级条纹只能看见中间一层的亮条纹，每层分为三条。此时所看见的条纹就是π成分，这是由于π成分的光为振动方向平行于磁场方向的线偏振光，。 仔细观察每条亮条纹，可以看出每条亮条纹是由三条更细的亮条纹紧挨在一起组成的，亮度虽然看不出，但仍可猜想试验结果符合理论推导，如下图。 显然，偏振片透振方向与磁场的夹角不等于0度与90度时，可以看见三条亮纹，亮度都比原来会相应的暗一些。 3、将磁场产生装置旋转90度，并安装四分之一波片迎着磁场的方向看 （1）成45度时，内环消失，只剩三条外环。 （2）成135度时，外环消失，只剩三条内环。 当从平行方向观察时，没有π成分，只有成分，由于此时两光相位差π，故无法观察。现加1/4玻片，使得相位差减少π/2 ，此时，设原本的波列方程相应的成分为和的两个方向。 设在x和y两个方向，若光为左旋圆偏振光，波动方程分别为 X=Acos（wt+π/2） Y=Acoswt 由于快轴方向为铅锤方向，即y轴方向，当有1/4 玻片作用，x方向上变成x=Acoswt，将两方向的光矢量叠加，和矢量方向为，即此时光振动方向为π/4。因为只有外环的偏振光透过偏振方向为的偏振片，所以外环的光为左旋的，。 同理，若光为左旋圆偏振光，波动方程分别为 X=Acos（wt） Y=Acos（wt+π/2） 由于快轴方向为铅锤方向，即y轴方向，当有1/4 玻片作用，y方向上变成y=-Acoswt，将两方向的光矢量叠加，和矢量方向为，即此时光振动方向为3π/4。因为只有内环的偏振光透过偏振方向为的偏振片，所以内环的光为左旋的，。 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：如果向某个方向移动并观察到条纹吐出，则说明该方向距离偏大，应将此方向的F-P标准具旋钮旋紧一些，或将相对方向的旋钮旋松一些，并不断观察，直到从任何方向看都看不到有环吐出为止。 2、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：沿着磁场方向观察，即顺着磁场方向看，时，为右旋圆偏振光；时，为左旋圆偏振光 。，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，沿着磁场方向观察，与迎着磁场方向观察正相反，由试验内容3的分析可以看出，当迎着磁场方向观察时，当偏振片的偏振方向为时，只有内环的偏振光透过，所以内环的光为左旋的，；当偏振片的偏振方向为时，只有外环的偏振光透过，所以外环的光为右旋的，。所以沿着磁场方向观察，时，为右旋圆偏振光；时，为左旋圆偏振光 。 4