塞曼效应实验1
塞曼效应实验装置
（3）计算e/m
（4）平行于磁场方向观察塞曼效应
西安交大《塞曼效应实验报告》
应物31 吕博成学号：10
塞曼效应 1896年，荷兰物理学家塞曼（）在实验中发现，当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线会分裂成几条光谱线，分裂的条数随能级类别的不同而不同，且分裂的谱线是偏振光。这种效应被称为塞曼效应。 需要首先指出的是，由于实验先后以及实验条件的缘故，我们把分裂成三条谱线，裂距按波数计算正好等于一个洛伦兹单位的现象叫做正常塞曼效应（洛伦兹单位 mc eB L π4=）。而实际上大多数谱线的塞曼分裂谱线多于三条，谱线的裂距可以大于也可 以小于一个洛伦兹单位，人们称这类现象为反常塞曼效应。反常塞曼效应是电子自旋假设的有力证据之一。通过进一步研究塞曼效应，我们可以从中得到有关能级分裂的数据，如通过能级分裂的条数可以知道能级的J 值；通过能级的裂距可以知道g 因子。 塞曼效应至今仍然是研究原子能级结构的重要方法之一，通过它可以精确测定电子的荷质比。 一．实验目的 1.学习观察塞曼效应的方法观察汞灯发出谱线的塞曼分裂； 2.观察分裂谱线的偏振情况以及裂距与磁场强度的关系； 3.利用塞曼分裂的裂距，计算电子的荷质比e m e 数值。 二．实验原理 1、谱线在磁场中的能级分裂 设原子在无外磁场时的某个能级的能量为0E ，相应的总角动量量子数、轨道量子数、自旋量子数分别为S L J 、、。当原子处于磁感应强度为B 的外磁场中时，这一原子能级将分裂为12+J 层。各层能量为 B Mg E E B μ+=0 （1） 其中M 为磁量子数，它的取值为J ，1-J ，...，J -共12+J 个；g 为朗德因子；B μ为玻尔磁矩（m hc B πμ4= ）；B 为磁感应强度。 对于S L -耦合 ） （） （）（）（121111++++-++ =J J S S L L J J g （2） 假设在无外磁场时，光源某条光谱线的波数为 ）（010201~E E hc -=γ （3） 式中 h 为普朗克常数；c 为光速。
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塞曼效应实验报告完整版 学生姓名: 学号: 5502210039 专业班级:应物101班 实验时间: 教师编号:T017 成绩: 塞曼效应 一、实验目的 1(观察塞曼效应现象，把实验结果与理论结果进行比较。 2(学习观测塞曼效应的实验方法。 3(计算电子核质比。 二、实验仪器 WPZ—?型塞曼效应实验仪 三、实验原理 塞曼效应:在外磁场作用下，由于原子磁矩与磁场相互作用，使原子能级 ,,产生分裂。垂直于磁场观察时，产生线偏振光(线和线);平行于磁场观察时，产生圆偏振光(左旋、右旋)。 按照半经典模型，质量为m，电量为的电子e绕原子核转动，因此，原子具B,E有一定的磁矩，它在外磁场中会获得一定的磁相互作用能，由于原子的磁,P矩与总角动量的关系为 JJ e,,gP (1) JJ2m 其中为朗德因子，与原子中所有电子德轨道和自旋角动量如何耦合成整g 个原子态的角动量密切相关。因此， e,,,,,,,,coscosEBgPB (2) JJ2m
,其中是磁矩与外加磁场的夹角。又由于电子角动量空间取向的量子化，这种磁相互作用能只能取有限个分立的值，且电子的磁矩与总角动量的方向相反，因此在外磁场方向上， h (3) ,,,,,cos,,1,,,？PMMJJJJ2, 学生姓名: 刘惠文学号: 5502210039 专业班级:应物101班实验时间: 教师编号:T017 成绩: heJhM,,式中是普朗克常量，是电子的总角动量，是磁量子数。设:，B4m,称为玻尔磁子，为未加磁场时原子的能量，则原子在外在磁场中的总能量为 E0 (4) EEEEMgB,，,,，,00B 由于朗德因子与原子中所有电子角动量的耦合有关，因此，不同的角动g LS,量耦合方式其表达式和数值完全不同。在耦合的情况下，设原子中电子轨道运动和自旋运动的总磁矩、总角动量及其量子数分别为、、和、、,P,PLLLSSS，它们的关系为 eeh,,,，(1),PLL (5) LL222mm, eeh,,,，(1),PSS (6) SS2mm, PPP,,设与和的夹角分别为和，根据矢量合成原理，只要将二者JLSLJSJ ,在方向的投影相加即可得到形如(1)式的总电子磁矩和总轨道角动量的关J 系: ,,,,,,，coscosJLLJSSJ ePP,，(cos2cos),,LLJSSJ2m 222222PPPPPP，,,，eJLSJLS (7) ,，(2)222mPPJJ 222PPP,，eJLSP,，(1)J2Pm22J
塞曼效应实验报告
塞曼效应实验报告 一、实验目的与实验仪器 1. 实验目的 （1）学习观察塞曼效应的方法，通过塞曼效应测量磁感应强度的大小。 （2）学习一种测量电子荷质比的方法。 2.实验仪器 笔形汞灯+电磁铁装置，聚光透镜，偏振片，546nm滤光片，F-P标准具，标准具间距（d=2mm），成像物镜与测微目镜组合而成的测量望远镜。 二、实验原理 （要求与提示：限400字以内，实验原理图须用手绘后贴图的方式） 1.塞曼效应 （1）原子磁矩和角动量关系 用角动量来描述电子的轨道运动和自旋运动，原子中各电子轨道运动角动量的矢量和即原子的轨道角动量L，考虑L-S耦合（轨道-自旋耦合），原子的角动量J =L +S。量子力学理论给出各磁矩与角动量的关系： L = - L，L = S = - S，S = 由上式可知，原子总磁矩和总角动量不共线。则原子总磁矩在总角动量方向上的分量 为： J = g J，J = J L为表示原子的轨道角量子数，取值：0，1，2… S为原子的自旋角量子数，取值：0,1/2,1,3/2，2,5/2… J为原子的总角量子数，取值：0,1/2,1,3/2… 式中，g=1+为朗德因子。 （2）原子在外磁场中的能级分裂 外磁场存在时，与角动量平行的磁矩分量J与磁场有相互作用，与角动量垂直的磁矩分量与磁场无相互作用。由于角动量的取向是量子化的，J在任意方向的投影(如z方向)为： = M，M=-J,-(J-1),-(J-2),…,J-2,J-1,J 因此，原子磁矩也是量子化的，在任意方向的投影(如z方向)为： =-Mg 式中，玻尔磁子μB =，M为磁量子数。
具有磁矩为J的原子，在外磁场中具有的势能（原子在外磁场中获得的附加能量）： ΔE = -J·=Mg B 则根据M的取值规律，磁矩在空间有几个量子化取值，则在外场中每一个能级都分裂为等间隔的（2J+1）个塞曼子能级。原子发光过程中，原来两能级之间电子跃迁产生的一条光谱线也分裂成几条光谱线。这个现象叫塞曼效应。 2.塞曼子能级跃迁选择定则 （1）选择定则 未加磁场前，能级E2和E1之间跃迁光谱满足： hν = E2 - E1 加上磁场后，新谱线频率与能级之间关系满足： hν’= (E2+ΔE2) – (E1+ΔE1) 则频率差：hΔν= ΔE2-ΔE1= M2g2 B -M1g1B= (M2g2- M1g1)B 跃迁选择定则必须满足： ΔM = 0，±1 （2）偏振定则 当△M=0时，产生π线，为振动方向平行于磁场的线偏振光，可在垂直磁场方向看到。 当△M=±1时，产生σ谱线，为圆偏振光。迎着磁场方向观察时，△M=1的σ线为左旋圆偏振光，△M=-1的σ线为右旋圆偏振光。在垂直于磁场方向观察σ线时，为振动方向垂直于磁场的线偏振光。 3. 能级3S13P2 L01 S11 J12 g23/2 M10-1210-1-2 Mg20-233/20-3/2-3汞原子的绿光谱线波长为，是由高能级{6s7s}S1到低能级{6s6p}P2能级之间的跃迁，其上下能级有关的量子数值列在表1。3S1、3P2表示汞的原子态，S、P分别表示原子轨道量子数L=0和1，左上角数字由自旋量子数S决定，为（2S+1）,右下角数字表示原子的总角动量量子数J。 在外磁场中能级分裂如图所示。外磁场为0时，只有的一条谱线。在外场的作用下，上能级分裂为3条，下能级分裂为5条。在外磁场中，跃迁的选择定则对磁量子数M的要求为：△M=0，±1，因此，原先的一条谱线，在外磁场中分裂为9条谱线。 9条谱线的偏振态，量子力学理论可以给出：在垂直于磁场方向观察，9条分裂谱线的强度(以中心谱线的强度为100)随频率增加分别为，，75，75，100，75，75，，. 标准具 本实验通过干涉装置进行塞曼效应的观察。我们选择法布里-珀罗标准具(F-P标准具)作为干涉元件。F-P标准具基本组成：两块平行玻璃板，在两板相对的表面镀有较高反射率的薄膜。 多光束干涉条纹的形成
塞曼效应观测实验
塞曼效应实验 1.实验目的 （1）学习观察塞曼效应的方法，用法布里-珀罗标准具观测汞546.1nm谱线的塞满分裂。 （2）掌握塞曼效应分裂谱线裂距的测量方法，并与理论值比较烦算某一激励电流下磁感应强度B的大小。 2.实验原理 （1）磁场中的能级分裂——塞曼效应 塞曼效应的产生是由于源自的总磁矩受到磁场作用的结果，其有如下关系： 总磁矩与总角动量不再一条线上，计算后得到有效为 其中g为朗德因子， 当原子处于外磁场中，μ绕外磁场B作旋进，原子获得附加能量： 说明在稳定磁场的作用下，原来的一个能级，分裂成（2J+1）个能级。 （2）塞曼跃迁的选择定则 在外磁场作用下，上下量能级附加能量分别为ΔE2，ΔE1，则
其中 为洛伦兹单位，B的单位是T，L的单位为cm-1. （3）汞546.1nm谱线在磁场中的分裂 汞546.1nm波是汞原子从到能级跃迁时产生的，在磁场中分 裂产生9条谱线，相邻谱线裂距为，垂直于磁场方向观察，中间三条为π线，两边各三条为σ线。 （4）F-P标准具 F-P标准具为多光束干涉装置，单色平行光在其中形成同心圆环等倾干涉。 自由光谱范围： 由此可以确定d，在实验中d取2mm。 设Δ是标准具能分辨的最小波长差，通常定义 为分辨率 Δ 一般为了比较高的精确度取，R为90%以上。 （5）塞曼效应测量公式 用透镜将F-P标准具的干涉环成像在焦平面的圆环直径为D，有 变化得到 对于同一波长相邻级次k，k-1级圆环直径分别为，，其直径平方差
，可见是一个与干涉级次k无关的常数。 对于同一级次有微小波长差的不同波长，而言可以得到 3.实验仪器装置 电磁铁，笔形汞灯，聚光镜，偏振光，滤光片，望远镜测微目镜 4.实验内容及操作 在垂直方向用F-P标准具定性观察Hg546.1nm谱线的塞曼分裂，分析谱线的偏振成分，定量测量塞曼分裂间隔并反算磁感应强度B。 （1）准备工作 （2）光路调节 1）调节聚光镜 2）放置干涉滤光片 3）调节聚光镜、滤光片，标准具与光源大致共轴 4）调整测量望远镜的高度 （3）塞曼效应观测 1）在加磁场前后观察 2）加装偏振片 （4）测量 1）在时，选择子谱线中一对合适的谱线圆环（最好不选相邻环线），和其中之一环对应的低一级次的环，并记录所测子谱线的间隔个数，测量直 径。算出波数差，依据间隔个数算出B。
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学生： 学号： 5502210039 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩： 塞曼效应 一、实验目的 1．观察塞曼效应现象，把实验结果与理论结果进行比较。 2．学习观测塞曼效应的实验方法。 3．计算电子核质比。 二、实验仪器 WPZ —Ⅲ型塞曼效应实验仪 三、实验原理 塞曼效应：在外磁场作用下，由于原子磁矩与磁场相互作用，使原子能级产 生分裂。垂直于磁场观察时，产生线偏振光（π线和σ线）；平行于磁场观察时， 产生圆偏振光（左旋、右旋）。 按照半经典模型，质量为m ，电量为e 的电子绕原子核转动，因此，原子具 有一定的磁矩，它在外磁场B 中会获得一定的磁相互作用能E ?，由于原子的磁 矩J μ与总角动量J P 的关系为 2J J e g P m μ=（1） 其中g 为朗德因子，与原子中所有电子德轨道和自旋角动量如何耦合成整个 原子态的角动量密切相关。因此， cos cos 2J J e E B g P B m μαα?=-=-（2） 其中α是磁矩与外加磁场的夹角。又由于电子角动量空间取向的量子化，这 种磁相互作用能只能取有限个分立的值，且电子的磁矩与总角动量的方向相反， 因此在外磁场方向上， cos ,,1,,2J h P M M J J J απ-==--（3）
学生： 惠文 学号： 5502210039 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩： 式中h 是普朗克常量，J 是电子的总角动量，M 是磁量子数。设：4B he m μπ=，称为玻尔磁子，0E 为未加磁场时原子的能量，则原子在外在磁场中的总能量为 00B E E E E Mg B μ=+?=+（4） 由于朗德因子g 与原子中所有电子角动量的耦合有关，因此，不同的角动量 耦合方式其表达式和数值完全不同。在L S -耦合的情况下，设原子中电子轨道 运动和自旋运动的总磁矩、总角动量及其量子数分别为L μ、L P 、L 和S μ、S P 、 S ，它们的关系为 2L L e P m μ==（5） S S e P m μ==（6） 设J P 与L P 和S P 的夹角分别为LJ α和SJ α，根据矢量合成原理，只要将二者在 J μ方向的投影相加即可得到形如（1）式的总电子磁矩和总轨道角动量的关系： 2222222222cos cos (cos 2cos )2(2)222(1)222J L LJ S SJ L LJ S SJ J L S J L S J J J L S J J J e P P m P P P P P P e m P P P P P e P P m e g P m μμαμααα=+= ++--+=+-+=+=（7） 其中朗德因子为 (1)(1)(1)1.2(1) J J L L S S g J J +-+++=++（8） 由（＊）式中可以看出，由于M 共有（2J ＋1）个值，所以原子的这个能级在
塞曼效应实验报告
近代物理实验报告 塞曼效应实验 学院 班级 姓名 学号 时间 2014年3月16日
塞曼效应实验实验报告 【摘要】： 本实验通过塞曼效应仪与一些观察装置观察汞（Hg）546.1nm谱线（3S1→3P2跃迁）的塞曼分裂，从理论上解释、分析实验现象，而后给出横效应塞满分裂线的波数增量，最后得出荷 质比。 【关键词】：塞曼效应、汞546.1nm、横效应、塞满分裂线、荷质比 【引言】： 塞曼效应是原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象，是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的。首先他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂；随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成 3条的原因，这种现象称为“塞曼效应”。在后来进一步研究发现，很多原子的光谱在磁场中 的分裂情况有别于前面的分裂情况，更为复杂，称为反常塞曼效应。 塞曼效应的发现使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解，塞曼效应证实了原子磁矩的 空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体 的磁场。本实验采取Fabry-Perot（以下简称F-P）标准具观察Hg的546.1nm谱线的塞曼效应，同时利用塞满效应测量电子的荷质比。 【正文】： 一、塞曼分裂谱线与原谱线关系 1、磁矩在外磁场中受到的作用 (1)原子总磁矩在外磁场中受到力矩的作用： 其效果是磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量（P J）绕磁场方向旋进。 (2)磁矩在外磁场中的磁能：
由于或在磁场中的取向量子化，所以其在磁场方向分量也量子化： ∴原子受磁场作用而旋进引起的附加能量 M为磁量子数 g为朗道因子，表征原子总磁矩和总角动量的关系，g随耦合类型不同（LS耦合和jj耦合）有两种解法。在LS耦合下： 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 M只能取J，J-1，J-2 …… -J（共2J+1）个值，即ΔE有(2J+1)个可能值。 无外磁场时的一个能级，在外磁场作用下将分裂成（2J+1）个能级，其分裂的能级是等间隔的，且能级间隔 2、塞曼分裂谱线与原谱线关系： (1) 基本出发点：
塞曼效应实验报告
1、前言和实验目的 1.了解和掌握WPZ-Ⅲ型塞曼效应仪和利用其研究谱线的精细结构。 2.了解法布里-珀罗干涉仪的的结构和原理及利用它测量微小波长差值。 3.观察汞546.1nm （绿色）光谱线的塞曼效应，测量它分裂的波长差，并计算电子的荷质比的实验值和标准值比较。 2、实验原理 处于磁场中的原子，由于电子的j m 不同而引起能级的分裂，导致跃迁时发出的光子的频率产生分裂的现象就成为塞曼效应。下面具体给出公式推导处于弱磁场作用下的电子跃迁所带来的能级分裂大小。 总磁矩为 J μ 的原子体系，在外磁场为B 中具有的附加能为： E ?= -J μ *B 由于我们考虑的是反常塞曼效应，即磁场为弱磁场，认为不足以破坏电子的轨道-自旋耦合。则我们有： E ?= -z μB =B g m B J J μ 其中z μ为J μ 在z 方向投影，J m 为角动量J 在z 方向投影的磁量子数，有12+J 个值，B μ= e m eh π4称为玻尔磁子，J g 为朗德因子，其值为 J g =) 1(2) 1()1()1(1++++-++ J J S S L L J J 由于J m 有12+J 个值，所以处于磁场中将分裂为12+J 个能级，能级间隔为B g B J μ。当没有磁场时，能级处于简并态，电子的态由n,l,j （n,l,s ）确定，跃迁的选择定则为Δs=0, Δl=1±.而处于磁场中时，电子的态由n,l,j,J m ，选择定则为Δs=0，Δl=1±，1±=?j m 。 磁场作用下能级之间的跃迁发出的谱线频率变为： )()(1122' E E E E hv ?+-?+==h ν+(1122g m g m -)B μB 分裂的谱线与原谱线的频率差ν?为： ν?=' ν-ν=h B g m g m B /)(1122μ-、 λ?= c ν λ?2 =2λ (1122g m g m -)B μB /hc =2 λ (1122g m g m -)L ~
塞曼效应实验报告
塞曼效应实验 实验原理 1、磁矩在外磁场中受到的作用 (1)原子总磁矩在外磁场中受到力矩的作用： 其效果是磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量（PJ）绕磁场方向旋进。 (2)磁矩在外磁场中的磁能： 由于或在磁场中的取向量子化，所以其在磁场方向分量也量子化： ∴原子受磁场作用而旋进引起的附加能量 M为磁量子数 g为朗道因子，表征原子总磁矩和总角动量的关系，g随耦合类型不同（LS耦合和jj耦合）有两种解法。在LS耦合下：
2、塞曼分裂谱线与原谱线关系： (1) 基本出发点： ∴分裂后谱线与原谱线频率差 由于 定义为洛仑兹单位： 3、谱线的偏振特征： 塞曼跃迁的选择定则为：ΔM=0 时为π成份（π型偏振）是振动方向平行于磁场的线偏振光，只有在垂直于磁场方向才能观察到，平行于磁场方向观察不到；但当ΔJ=0时，M2=0到M1=0的跃迁被禁止。
当ΔM=±1时，为σ成份，σ型偏振垂直于磁场，观察时为振动垂直于磁场的线偏振光。 平行于磁场观察时，其偏振性与磁场方向及观察方向都有关：沿磁场正向观察时（即磁场方向离开观察者：） ΔM= +1为右旋圆偏振光（σ+偏振） ΔM= -1为左旋圆偏振光（σ-偏振） 也即，磁场指向观察者时：⊙ ΔM= +1为左旋圆偏振光 ΔM= -1为右旋圆偏振光 分析的总思路和总原则: 在辐射的过程中，原子和发出的光子作为整体的角动量是守恒的。 原子在磁场方向角动量为 ∴在磁场指向观察者时：⊙B 当ΔM= +1时，光子角动量为，与同向 电磁波电矢量绕逆时针方向转动，在光学上称为左旋圆偏振光。 ΔM= -1时，光子角动量为，与反向 电磁波电矢量绕顺时针方向转动，在光学上称为右旋圆偏振光。
西安交大《塞曼效应实验报告》(资料参考)
塞 曼 效 应 实 验 报 告 应物31 吕博成学号：2120903010
塞曼效应 1896年，荷兰物理学家塞曼（P.Zeeman ）在实验中发现，当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线会分裂成几条光谱线，分裂的条数随能级类别的不同而不同，且分裂的谱线是偏振光。这种效应被称为塞曼效应。 需要首先指出的是，由于实验先后以及实验条件的缘故，我们把分裂成三条谱线，裂距按波数计算正好等于一个洛伦兹单位的现象叫做正常塞曼效应（洛伦兹单位 mc eB L π4=）。而实际上大多数谱线的塞曼分裂谱线多于三条，谱线的裂距可以大于也可 以小于一个洛伦兹单位，人们称这类现象为反常塞曼效应。反常塞曼效应是电子自旋假设的有力证据之一。通过进一步研究塞曼效应，我们可以从中得到有关能级分裂的数据，如通过能级分裂的条数可以知道能级的J 值；通过能级的裂距可以知道g 因子。 塞曼效应至今仍然是研究原子能级结构的重要方法之一，通过它可以精确测定电子的荷质比。 一．实验目的 1.学习观察塞曼效应的方法观察汞灯发出谱线的塞曼分裂； 2.观察分裂谱线的偏振情况以及裂距与磁场强度的关系； 3.利用塞曼分裂的裂距，计算电子的荷质比e m e 数值。 二．实验原理 1、谱线在磁场中的能级分裂 设原子在无外磁场时的某个能级的能量为0E ，相应的总角动量量子数、轨道量子数、自旋量子数分别为S L J 、、。当原子处于磁感应强度为B 的外磁场中时，这一原子能级将分裂为12+J 层。各层能量为 B Mg E E B μ+=0 （1） 其中M 为磁量子数，它的取值为J ，1-J ，...，J -共12+J 个；g 为朗德因子；B μ为玻尔磁矩（m hc B πμ4= ）；B 为磁感应强度。 对于S L -耦合 ） （） （）（）（121111++++-++ =J J S S L L J J g （2） 假设在无外磁场时，光源某条光谱线的波数为
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学生姓名： 学号： 39 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩： 塞曼效应 一、实验目的 1．观察塞曼效应现象，把实验结果与理论结果进行比较。 2．学习观测塞曼效应的实验方法。 3．计算电子核质比。 二、实验仪器 WPZ —Ⅲ型塞曼效应实验仪 三、实验原理 塞曼效应：在外磁场作用下，由于原子磁矩与磁场相互作用，使原子能级产生分裂。垂直于磁场观察时，产生线偏振光（π线和σ线）；平行于磁场观察时，产生圆偏振光（左旋、右旋）。 按照半经典模型，质量为m ，电量为e 的电子绕原子核转动，因此，原子具有一定的磁矩，它在外磁场B 中会获得一定的磁相互作用能E ?，由于原子的磁矩J μ与总角动量J P 的关系为 2J J e g P m μ=（1） 其中g 为朗德因子，与原子中所有电子德轨道和自旋角动量如何耦合成整个原子态的角动量密切相关。因此， cos cos 2J J e E B g P B m μαα?=-=-（2） 其中α是磁矩与外加磁场的夹角。又由于电子角动量空间取向的量子化，这种磁相互作用能只能取有限个分立的值，且电子的磁矩与总角动量的方向相反，因此在外磁场方向上， cos ,,1,,2J h P M M J J J απ -==--L （3）
学生姓名： 刘惠文 学号： 39 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩： 式中h 是普朗克常量，J 是电子的总角动量，M 是磁量子数。设：4B he m μπ=，称为玻尔磁子，0E 为未加磁场时原子的能量，则原子在外在磁场中的总能量为 00B E E E E Mg B μ=+?=+（4） 由于朗德因子g 与原子中所有电子角动量的耦合有关，因此，不同的角动量 耦合方式其表达式和数值完全不同。在L S -耦合的情况下，设原子中电子轨道运动和自旋运动的总磁矩、总角动量及其量子数分别为L μ、L P 、L 和S μ、S P 、S ，它们的关系为 2L L e P m μ==（5） S S e P m μ==（6） 设J P 与L P 和S P 的夹角分别为LJ α和SJ α，根据矢量合成原理，只要将二者在 J μ方向的投影相加即可得到形如（1）式的总电子磁矩和总轨道角动量的关系： 2222222222cos cos (cos 2cos )2(2)222(1)222J L LJ S SJ L LJ S SJ J L S J L S J J J L S J J J e P P m P P P P P P e m P P P P P e P P m e g P m μμαμααα=+= ++--+=+-+=+=（7） 其中朗德因子为 (1)(1)(1)1.2(1) J J L L S S g J J +-+++=++（8） 由（＊）式中可以看出，由于M 共有（2J ＋1）个值，所以原子的这个能级在
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实验题目：塞曼效应 实验目的：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。 实验仪器：塞曼效应实验平台仪器，磁感应强度测量仪，底片，秒表等。 实验原理：（点击跳过实验原理） 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 B Mg E B μ=? （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 ) 1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g （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E ?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， 12E E hv -= 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 B g M g M hv E E E E E E E E hv B μ)()()()()('112212121122-+=?-?+-=?+-?+= 分裂后谱线与原谱线的频率差为
塞曼效应实验报告
近代物理实验报告塞曼效应实验 学院 班级 姓名 学号 时间2014 年 3 月16 日
塞曼效应实验实验报告 【摘要】： 本实验通过塞曼效应仪与一些观察装置观察汞（Hg）546.1nm 谱线（3S1→3P2 跃迁）的塞曼分裂，从理论上解释、分析实验现象，而后给出横效应塞满分裂线的波数增量，最后得出荷质比。【关键词】：塞曼效应、汞546.1nm、横效应、塞满分裂线、荷质比 【引言】： 塞曼效应是原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象，是 1896 年由荷兰物理学家塞曼发现的。首先他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂；随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成 3 条的原因，这种现象称为“塞曼效应”。在后来进一步研究发现，很多原子的光谱在磁场中的分裂情况有别于前面的分裂情况，更为复杂，称为反常塞曼效应。 塞曼效应的发现使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解，塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是 19世纪末 20世纪初物理学最重要的发现之一。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场。本实验采取 Fabry-Perot（以下简称 F-P）标准具观察 Hg 的 546.1nm 谱线的塞曼效应，同时利用塞满效应测量电子的荷质比。 【正文】： 一、塞曼分裂谱线与原谱线关系 1、磁矩在外磁场中受到的作用 （1）原子总磁矩在外磁场中受到力矩的作用： 其效果是磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量（P J）绕磁场方向旋进。 （2）磁矩在外磁场中的磁能：
由于或在磁场中的取向量子化，所以其在磁场方向分量也量子化： ∴ 原子受磁场作用而旋进引起的附加能量 M 为磁量子数 g 为朗道因子，表征原子总磁矩和总角动量的关系， g 随耦合类型不同（ LS 耦合和 jj 耦合）有两种解法。在 LS耦合下： 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 M 只能取 J， J-1 ， J-2 …… -J（共 2J+1）个值，即Δ E 有（2J+1）个可能值。 无外磁场时的一个能级，在外磁场作用下将分裂成（2J+1）个能级，其分裂的能级是等间隔 的，且能级间隔 2、塞曼分裂谱线与原谱线关系： （1）基本出发点：
塞曼效应实验
塞曼效应实验 作者杨桥英 指导老师杨建荣 绪论 塞曼效应实验是近代物理中的一个重要实验，它证实了原子具有磁矩和空间量子化，可由实验结果确定有关原子能级的几个量子数如M，J和g因子的值，有力地证明了电子自旋理论。对于教学和学习来说本文所讨论的实验方案的结合使用，不但可以使我们对塞曼实验的原理有更深层次的触动，加深我们对于塞曼效应原理的理解，而且可以使我们对计算机及相应的软件开发在实验中的应用有所了解。 塞曼效应是原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象。塞曼效应是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的。他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂。随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成3条的原因。这种现象称为“塞曼效应”。进一步的研究发现，很多原子的光谱在磁场中的分裂情况非常复杂，称为反常塞曼效应。完整解释塞曼效应需要用到量子力学、电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取向是量子化的，磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。在外磁场中，总自旋为零的原子表现出正常塞曼效应，总自旋不为零的原子表现出反常塞曼效应。塞曼效应是继1845年法拉第效应和1875年克尔效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例。塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场[]1。 1．实验原理 1．1原子的总磁矩与总角动量的关系 原子的总磁矩由电子磁矩和核磁矩两部分组成，由于核磁矩比电子磁矩小三个数量级以上，所以可只考虑电子的磁矩这一部分。原子中的电子做轨道运动时产生轨道磁矩，做自旋运动时产生自旋磁矩。根据量子力学的结果，电子轨道角动量P L 和轨 道磁矩μ L 以及自旋角动量P S 和自旋磁矩μ S 在数值上有下列关系：
西安交大《塞曼效应实验报告》重点讲义资料
应物31 吕博成学号：2120903010
塞曼效应 1896年，荷兰物理学家塞曼（P.Zeeman ）在实验中发现，当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线会分裂成几条光谱线，分裂的条数随能级类别的不同而不同，且分裂的谱线是偏振光。这种效应被称为塞曼效应。 需要首先指出的是，由于实验先后以及实验条件的缘故，我们把分裂成三条谱线，裂距按波数计算正好等于一个洛伦兹单位的现象叫做正常塞曼效应（洛伦兹单位 mc eB L π4=）。而实际上大多数谱线的塞曼分裂谱线多于三条，谱线的裂距可以大于也可 以小于一个洛伦兹单位，人们称这类现象为反常塞曼效应。反常塞曼效应是电子自旋假设的有力证据之一。通过进一步研究塞曼效应，我们可以从中得到有关能级分裂的数据，如通过能级分裂的条数可以知道能级的J 值；通过能级的裂距可以知道g 因子。 塞曼效应至今仍然是研究原子能级结构的重要方法之一，通过它可以精确测定电子的荷质比。 一．实验目的 1.学习观察塞曼效应的方法观察汞灯发出谱线的塞曼分裂； 2.观察分裂谱线的偏振情况以及裂距与磁场强度的关系； 3.利用塞曼分裂的裂距，计算电子的荷质比e m e 数值。 二．实验原理 1、谱线在磁场中的能级分裂 设原子在无外磁场时的某个能级的能量为0E ，相应的总角动量量子数、轨道量子数、自旋量子数分别为S L J 、、。当原子处于磁感应强度为B 的外磁场中时，这一原子能级将分裂为12+J 层。各层能量为 B Mg E E B μ+=0 （1） 其中M 为磁量子数，它的取值为J ，1-J ，...，J -共12+J 个；g 为朗德因子；B μ为玻尔磁矩（m hc B πμ4= ）；B 为磁感应强度。 对于S L -耦合 ） （） （）（）（121111++++-++ =J J S S L L J J g （2） 假设在无外磁场时，光源某条光谱线的波数为 ）（010201~E E hc -=γ （3） 式中 h 为普朗克常数；c 为光速。
塞曼效应实验报告
一、实验目得 塞曼效应实验报告 与实验仪器1、实验目得（1）学习观察塞曼效应得方法，通过塞曼效应测量磁感应强度得大小。 （2）学习一种测量电子荷质比得方法。 2、实验仪器 笔形汞灯+电磁铁装置，聚光透镜，偏振片，546nm滤光片，F-P标准具，标准具间距（d=2mm），成像物镜与测微目镜组合而成得测量望远镜。 二、实验原理 （要求与提示：限400字以内，实验原理图须用手绘后贴图得方式） 1、塞曼效应 （1）原子磁矩与角动量关系 用角动量来描述电子得轨道运动与自旋运动，原子中各电子轨道运动角动量得矢量与即原子得轨道角动量L，考虑L-S耦合（轨道-自旋耦合）， 原子得角动量J =L +S。量子力学理论给出各磁矩与角 动量得关系： = - L，L = L = - S，S = S 由上式可知，原子总磁矩与总角动量不共线。则原 子总磁矩在总角动量方向上得分量J为： = g J，J = J L为表示原子得轨道角量子数，取值：0，1，2… S为原子得自旋角量子数，取值：0,1/2,1,3/2，2,5/2… J为原子得总角量子数，取值：0,1/2,1,3/2… 式中，g=1+为朗德因子。 （2）原子在外磁场中得能级分裂 外磁场存在时，与角动量平行得磁矩分量J与磁场有相互作用，与角动量垂直得磁矩分量与磁场无相互作用。由于角动量得取向就是量子化得，J在任意方向得投影(如z方向)为： = M，M=-J,-(J-1),-(J-2),…,J-2,J-1,J
因此，原子磁矩也就是量子化得，在任意方向得投影(如z方向)为： =-Mg 式中，玻尔磁子μB =，M为磁量子数。 具有磁矩为J得原子，在外磁场中具有得势能（原子在外磁场中获得得附加能量）： ΔE = -J·=Mg B 则根据M得取值规律，磁矩在空间有几个量子化取值，则在外场中每一个能级都分裂为等间隔得（2J+1）个塞曼子能级。原子发光过程中，原来两能级之间电子跃迁产生得一条光谱线也分裂成几条光谱线。这个现象叫塞曼效应。 2、塞曼子能级跃迁选择定则 （1）选择定则 未加磁场前，能级E2与E1之间跃迁光谱满足： hν = E2 - E1 加上磁场后，新谱线频率与能级之间关系满足： hν’= (E2+ΔE2) – (E1+ΔE1) 则频率差：hΔν = ΔE2 -ΔE1 = M2g2 B - M1g1B = (M2g2- M1g1)B 跃迁选择定则必须满足： ΔM = 0，±1 （2）偏振定则 当△M=0时，产生π线，为振动方向平行于磁场得线偏振光，可在垂直磁场方向瞧到。 当△M=±1时，产生σ谱线，为圆偏振光。迎着磁场方向观察时，△M=1得σ线为左旋圆偏振光，△M=-1得σ线为右旋圆偏振光。在垂直于磁场方向观察σ线时，为振动方向垂直于磁场得线偏振光。 3 能级3S13P2 L 0 1 S 1 1 J 1 2 g 2 3/2 M 1 0 -1 2 1 0 -1 -2 Mg 2 0 -2 3 3/2 0 -3/2 -3
塞曼效应实验
塞曼效应实验 【实验目的】 1．掌握观测塞曼效应的方法，加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理学概念的理解。 2．观察汞原子546.1nm 谱线的分裂现象及它们偏振状态，由塞曼裂距计算电子荷质比。 3．学习法布里-珀罗标准具的调节方法。 4．学习CCD 器件在光谱测量中的应用以及通过计算机自动处理光谱数据的实验方法。 【实验原理】 1．背景简介 1896年,荷兰物理学家塞曼(P.Zeeman(1865-1943))发现当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线分裂成几条光谱线，分裂的谱线成分是偏振的，分裂的条数随能级的类别而不同，后人称此现象为塞曼效应。塞曼效应是继英国物理学家法拉第（M.Faraday(1791-1863)）1845年发现磁致旋光效应，克尔(John Kerr)1876年发现磁光克尔效应之后，发现的又一个磁光效应。 法拉第旋光效应和克尔效应的发现在当时引起了众多物理学家的兴趣。1862年法拉第出于"磁力和光波彼此有联系"的信念，曾试图探测磁场对钠黄光的作用，但因仪器精度欠佳未果。 塞曼在法拉第的信念的激励下,经过多次的失败,最后用当时分辨本领最高的罗兰凹面光栅和强大的电磁铁,终于在1896年发现了钠黄线在磁场中变宽的现 象,后来又观察到了镉蓝线在磁场中的分裂。 塞曼在洛仑兹的指点及其经典电子论的指导下,解释了正常塞曼 效应和分裂后的谱线的偏振特性,并且估算出的电子的荷质比与几个 月后汤姆逊从阴极射线得到的电子荷质比相同。 塞曼效应不仅证实了洛仑兹电子论的准确性，而且为汤姆逊发现 电子提供了证据。还证实了原子具有磁矩并且空间取向是量子化的。 1902年，塞曼与洛仑兹因这一发现共同获得了诺贝尔物理学奖。直到 今日，塞曼效应仍旧是研究原子能级结构的重要方法。 早年把那些谱线分裂为三条,而裂距按波数计算正好等于一个洛伦兹单位的现象叫做正常塞曼效应(洛伦兹单位mc eB L π4/=)。正常塞曼效应用经典理论就能给予解释。实际上 P.Zeeman(1865-1943)
塞曼效应实验报告
塞曼效应实验报告 【摘要】 本实验利用高分辨光谱仪器法布里—珀罗标准具研究汞546.1nm 光谱线的塞曼效应，并测量塞曼分裂的波长差；与理论值进行比较，解释和分析了波长差和电子的荷质比。由于分裂的波长差很小，所以不能用一般的棱镜摄谱仪来测量，利用法布里—珀罗标准具进行测量。这个实验最重要的就是光具组的同轴等高的调节，以及对圆图形的处理。通过这个实验学会了许多仪器的操作，对塞曼效应有了更深层次的理解。 关键词：塞曼效应、g 因子、荷质比、法布里—珀罗标准具 一、引言：1896年，荷兰著名的物理学家塞曼Zeeman 将光源置于强磁场中，研究磁场对谱线的影响发现：原来的一条光谱线分裂成几条光谱线，分裂的谱线成分为偏振。塞曼效应实验与斯特恩-盖拉赫实验还有碱金属光谱双线一样有力证明了电子具有自旋，能级的分裂是由于电子轨道磁矩与自旋磁矩相互作用的结果。通过Zeeman 效应实验，可由能级分裂的个数知道能级的J 值，由能级的裂距可知g 因子；如果原子遵从LS 耦合，则可由g 值判断该能级的L 和S 值。 实验目的：1.观察塞曼效应，理解理论学习内容。 2.掌握测量波长差的原理。 3.测量荷质比。 二、实验原理 1、谱线在磁场中的分裂 按照半经典模型，质量为m ，电量为e 的电子绕原子核转动，因此，原子具有一定的磁矩，它在外磁场B 中会获得一定的磁相互作用能E ?，由于原子的磁矩J μ与总角动量J P 的关系为
2J J e g P m μ=（1） 其中g 为朗德因子，与原子中所有电子德轨道和自旋角动量如何耦合成整个原子态的角动量密切相关。因此， cos cos 2J J e E B g P B m μαα?=-=-（2） 其中α是磁矩与外加磁场的夹角。又由于电子角动量空间取向的量子化，这种磁相互作用能只能取有限个分立的值，且电子的磁矩与总角动量的方向相反，因此在外磁场方向上， cos ,,1,,2J h P M M J J J απ -==--（3） 式中h 是普朗克常量，J 是电子的总角动量，M 是磁量子数。设：4B he m μπ=，称为玻尔磁子，0E 为未加磁场时原子的能量，则原子在外在磁场中的总能量为 00B E E E E Mg B μ=+?=+（4） 由于朗德因子g 与原子中所有电子角动量的耦合有关，因此，不同的角动量耦合方式其表达式和数值完全不同。在L S -耦合的情况下，设原子中电子轨道运动和自旋运动的总磁矩、总角动量及其量子数分别为L μ、L P 、L 和S μ、S P 、S ，它们的关系为 2L L e P m μ==（5） S S e P m μ= =（6） 设J P 与L P 和S P 的夹角分别为LJ α和SJ α，根据矢量合成原理，只要将二者在J μ方向的投影相加即可得到形如（1）式的总电子磁矩和总轨道角动量的关系：
实验报告 塞曼效应 (2)
实验报告 勾天杭 pb05210273 题目：塞曼效应 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B Mg E B μ=?，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：) 1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g 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E ?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。 能级E 1和E 2之间的跃迁产生频率为v 的光， 12E E hv -= 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 B g M g M hv E E E E E E E E hv B μ)()()()()('112212121122-+=?-?+-=?+-?+= 分裂后谱线与原谱线的频率差为：h B g M g M v v v B μ)('1122-=-=? 代入玻尔磁子m eh B πμ4=，得到B m e g M g M v π4)(1122-=? 等式两边同除以c ，得到B mc e g M g M πσ4)(1122-=? 塞曼跃迁的选择定则为：0=?M ，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0=?J 时，02=M 到01=M 的跃迁被禁止；1±=?M ，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，1+=?M 为右旋圆偏振光，1-=?M 为左旋圆偏振光。 2．观察塞曼分裂的方法 塞曼分裂的波长差很小，用一般的棱镜摄谱仪是不可能的，需采用高分辨率的仪
塞曼效应实验报告
塞曼效应实验 一、 实验目的 1、理解塞曼效应的相关理论，观察汞546.1nm 谱线在磁场中分裂的情况，加深对原子结构的认识。 2、掌握法布里—珀罗(F P -)标准具的干涉原理及其调整方法。 3、测量汞谱线在磁场中分裂的裂距，并计算出电子荷质比e/m 的值。 二、 实验仪器 电磁铁、笔形汞灯、聚光透镜、法布里－珀罗标准具、偏振片、滤光片、读数显微镜、高斯计 三、 实验原理 1、法布里—珀罗标准具 （1）法布里—珀罗标准具的原理及性能 构成：F-P 标准具由两块平面玻璃板中间夹一个间隔圈组成。平面玻璃内表面有高反射膜，间隔圈精加工成一定厚度使两玻璃板平行。 原理：单色光在F-P 标准具中产生干涉，光程差2cos l nd θ?= 。所有的平行光束都在透镜焦平面上形成干涉条纹，形成干涉极大亮条纹条件 2cos d k θλ= 性能：不同的K 对应不同的θ。如果采用扩展光源照明，F P -标准具产生等倾干涉，花纹是一组同心圆环。 （2）法布里—珀罗标准具的调节 调节的目的就是使两个内表面平行，通过旋紧或者旋松调节，直到移动过程中无冒环或吸坏的现象就可以观察。 2、原理解释 加入外磁场后，系统总能量增加 朗德因子与J 、S 、 L 有关，一个J 对应着M=J,J-1,...,-J,所以磁场中每个能 12 34 1' 2' 3'4' 图6.1
级分裂为2J+1个子能级。相邻能级间隔为4B eh g B g B m μπ= E 2跃迁到E 1，产生频率为ν的光谱线21h E E ν=- 在外磁场作用下，上下两能级各获得附加能量2E ?，1E ?，因此，每个能级各分裂)12(2+J 个和)1(21+J 个子能级。用F P -标准具求波数差，根据图6.4几何关系可得22cos 18D f θ= - 将上式带入式（ 6.2）可得 2 22[1]8D d k f λ-= 对同一波长λ的相邻第k 和第1k -级两个圆环，其直径的平 方差为22 2(1),,4k k f D D d λ λ λ--=直径的平方差是一个与干涉级次k 无关的常量。 对 同 一干涉级中不同波长的干涉圆环有 2222 ,,,,,,222(1),,()()4() k b k a k b k a k a k b k k d D D D D f k k D D λλλλλ----==- 因为标准具间隔圈的厚度比波长大 得多，中心圆环的干涉次级式很大的，所以用中心圆环的干涉级次代替被测圆环的干涉级次，引入的误差可以忽略。因为2d k λ = 222,,,,22(1),,() 2() k b k a k a k b k k D D d D D λλλλλλ--?=-= - 波数差为 22,,2 2(1),,() 2() k b k a ab k k D D d D D λ λ ν--?== -% F P -标准具的 2.0d mm =。整理可得电子的荷质比 22112()e c m M g M g B πν =?-% 四、 实验步骤 1、 转动电磁铁，使之横向放 置，调节测量台，使笔型汞灯竖直放置在磁隙正中，接通汞灯电源。在光 1 234567 1.电磁铁 2.笔形汞灯 3.聚光透镜 4. 滤光片