近代物理实验塞曼效应
塞曼效应(lmj3)
塞曼效应塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。
荷兰物理学家塞曼在1896年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体使光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。
塞曼效应是继法拉第磁致旋光效应之后发现的又一个磁光效应。
这个现象的发现是对光的电磁理论的有力支持，证实了原子具有磁矩和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子结构有更多了解，特别是由于及时得到洛仑兹的理论解释，更受到人们的重视，被誉为继X 射线之后物理学最重要的发现之一。
1902年，塞曼与洛仑兹因发现塞曼效应而共同获得了诺贝尔物理学奖。
【实验目的】（1） 证实原子具有磁矩和空间取向量子化。
（2） 应用实验的方法，求洛仑兹单位值，并与理论值比较。
【实验仪器】电磁铁及电源 交直流高斯计 调压器 汞灯 法布里—珀罗标准具 小型摄谱仪测量显微镜 【实验原理】当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条谱线分裂成波长很靠近的几条偏振化的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同，这种现象称为塞曼效应。
塞曼效应实验是研究原子的光谱在磁场中受磁场影响而变化的实验。
根据原子所处的磁场强度不同谱线分裂的条数不同，塞曼效应由于历史的习惯可分为正常塞曼效应和反常赛曼效应。
通常一条谱线分裂条数为三条的效应叫正常塞曼效应(可以用经典理论加以解释)，多于三条的叫反常塞曼效应（只能用量子理论解释）。
反常塞曼效应通常发生在磁场很弱或者磁场很强的条件下。
塞曼效应是由于原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩共同受到磁场的作用而产生的，因此它进一步证实了原子具有磁矩和空间取向量子化。
通过本实验可以进一步认识原子的内部结构。
1. 原子的总磁矩塞曼效应是由于原子的内部磁矩受外磁场的作用而产生的，而原子中的电子又具有轨道运动和自旋运动，所以电子有轨道角动量P L 和自旋角动量P S ，有轨道磁矩μL 和自旋磁矩μS 。
在忽略核磁矩的情况下，P L 与P S 合成总角动量P J ，μL 与μS 合成总磁矩μ，见图(1)我们已知：轨道角动量 ⋅+=)1(L L P s图(1)自旋角动量 ⋅+=)1(S S P s轨道磁矩 L L P m e2=μ 自旋磁矩 S S P me2=μ 由于L L P μ 和μS/ P S 的值不同所以总磁矩μ不在总角动量L P 的延长线上，而是μ绕P J 的延长线旋进。
塞曼效应(大学近代物理实验)
表1
7 3S13 S1
6 3P2 3P2
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
表2 M
2
1
0
-1
-2
3S1M 2 g2
3 P2 M 1 g1
F-P标准具由两块平面平晶及中间的间 隔圈组成。平晶内表面需经过精密加工, 精度高于λ/20。内表面镀有高反射膜, 反射率高于90%。间隔距离可通过螺丝调 节。以保证两内表面严格平行。
设A,B两平面间的距离为d,空气折射率 n≈1,则相邻两束透射光之间的光程差便 是△=2dcosφ，因此，产生干涉极大时 应满足
电子从高能级向低能级跃迁时会发光。一定的光 谱线对应于一定的能级间的跃迁。例如汞的 546.074nm谱线是6S7S³Sı到6S6P³P2跃迁的结果。谱 线在磁场中分裂这一事实，反映了能级在磁场中 发生了分裂，也即原子在磁场中获得了附加能量。
运用量子力学。可以对塞曼效应作出满意的解释。
1．原子的总磁矩
△=2dcosφ=kλ 式中k为整数, φ为入射角。
(2)F-P标准具的调节 调节标准具时,主要是要使两个内表面严格平行。 将光源,透镜和标准具按规定放好。水平移动标准具找到干涉环,
使其中心位于反射片的中心。左右移动眼睛观察。如果在移动 过程中有冒环或吸环的现象,则说明两个内表面水平方向不平行。 这时可以调节标准具下方的两个螺丝。冒环方向相应的间距大, 因此应将这个方向的螺丝旋紧,或者把另一方向的螺丝放松。通 过调节,应达到左右移动眼睛时,无冒环或吸环现象。然后再竖直 移动眼睛,如果眼睛上移时出现冒环,可以旋紧上方螺丝或同时放 松下方的两个螺丝;反之,可以放松上方螺丝或同时放松下方的两 个螺丝。依此,在水平和竖直两个方向反复多次调节,达到无论怎 样移动眼睛,均不出现冒环和吸环现象。这时用望远镜观察就可 看到细而锐的干涉环了。
近代物理实验-塞曼效应实验
近代物理实验——塞曼效应实验一、实验简介如果把光源置于足够强的磁场中，则光源发出的大部分单色光都分裂为若干条偏振的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同。
这种现象被称为塞曼效应。
塞曼效应是1896年荷兰物理学家塞曼发现的，洛伦兹对此作出了令人满意的解释。
塞曼效应的发现及其解释对研究原子中电子的角动量和反应角动量耦合作用的朗德因子等原子结构的信息有重要的作用，因此，两人于1902年获得了诺贝尔物理学奖。
本实验将采用光栅摄谱仪的方法来研究这一现象。
二、实验目的1.观察塞曼效应；2.利用塞曼裂矩，计算电子的质核比e/m e；三、实验原理1.塞曼效应概念：将光源放到磁场中，观察到光谱线发生分裂。
原因是原子的能级发生了分裂，根据原子物理学知识，原子中的电子在磁场中的附加能量为：∆E=MgμB B其中g是朗德因子：g=1+J(j+1)−L(L+!)+S(S+1)2J(J+1)2.能级E1与E2之间的跃迁如果产生频率为γ的光，在磁场中上下能级都发生分裂，分裂后的谱线与原谱线的频率差为：∆γ=(m2g2−M1g1)μB B/ℎ其中μB是玻尔磁子：μB=eℎ4πm 得：∆γ=（m2g2−M1g1）eℎ4πmB用波数差表示为：∆σ=（m2g2−M1g1）e4πmcB导出电子的荷质比为：em =()22114cm g m gπσ∆-(em理论值是1.76*1011C/kg）3．观察塞曼效应的方法：F-P标准具光路图，标准具由两块平板玻璃构成，形成干涉极大的条件是：2ndcosθ=kλ（一组同心圆）由于tanθ=D2⁄f，在θ很小时：θ=sinθ=tanθ所以cosθ=1−2sin2θ2=1−12tan2θ=1−D28f2最后推导出波数差： ∆σ=12d （D b2−Da2D k−12−Dk2）含义：Dk与Dk-1是分裂前相邻两个圆环的直径，Db与Da是分裂后同一级次两个圆环的直径（注意计算中∆σ的单位是cm-1）磁感应强度：B=1.2T四、实验仪器摄谱仪、Fe弧光源、Hg放电管五、实验内容1.摄谱和反射镜Bs在摄（1）调整外光路，使得汞放电管发出的光辐射经透镜L1谱仪入射狭缝上成像。
实验一 塞 曼 效 应
实验一塞曼效应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，各高等院校都普遍开设了此实验。
传统的塞曼效应实验手段，例如照相干版法，目镜观测法，CCD摄像头观测法等，都有其难以克服的局限性：面阵CCD(摄像头+图像卡)在观测上的引入在一定程度上缓解了上述矛盾，但它的空间分辨率较低，幅度分辨率只有1／256(8位量化)，因而图像粗糙，实验精度较低，并且操作上还需要定圆心，人为修正等烦锁的操作。
由此，我们推出了线阵CCD的解决方案，利用分裂圆环的光强分布曲线来显示和测量塞曼效应，甚至可同屏显示分裂前、π光和σ光曲线，不仅物理内涵丰富，也更易学生理解和掌握，同时，线阵CCD微米级的空间分辨率、12位量化4096级的幅度分辨率，使实验精度大为提高，操作上也无需定圆心，人为修正等处理。
本实验由硬件和软件（祥看说明书）两部分组成。
本套仪器的硬件部分主要由三个部分组成：CCD采集盒、计算机数据采集盒和成像透镜部分。
各部分连接示意图图1如下：图1仪器的硬件部分组成1．CCD采集盒的核心器件是一个数千像元的CCD线阵，它可以将照射在其上的光强信号转化为模拟电信号，实时送往计算机数据采集盒。
每一个CCD线阵具体的指标参数，请详见其CCD采集盒上的铭牌。
2．计算机数据采集盒将由CCD采集盒送来的光强模拟电信号经12位A／D转换后量化为4096级数字信号，交给ZEEMAN软件处理。
它通过USB接口与计算机相连。
3．成像透镜部分由遮光罩和成像透镜组成。
前端仪器产生的光信号经过成像透镜会聚，在CCD线阵上产生实像，从而进行光／电变换。
一、实验目的1．掌握塞曼效应理论，确定能级的量子数与朗德因子，绘出跃迁的能级图；2．掌握法布里-珀罗标准具的原理及使用；3．熟练掌握光路的调节：4．了解线阵CCD器件的原理和应用。
塞曼效应实验 简介
塞曼效应实验简介
塞曼效应，是指在外加磁场下，各种光谱线的分裂现象。
这个效应首先由瑞典物理学
家塞曼（Pieter Zeeman）于1896年发现的，由此获得1902年的诺贝尔物理学奖。
实验过程中，需要使用较强的磁场，通常是1特斯拉以上。
然后，通过光源照射气体，观察气体光谱的变化。
光谱中原来只有一条谱线，但是在磁场的作用下，谱线会被分裂成
多条并排的细线。
这些细线的数量和排列方式与磁场的性质、气体类型和光源的特性有
关。
塞曼效应的理论证明来源于量子力学的结论。
磁场将影响原子的能级，使能级发生分裂。
原子发射的光子带有特定的能量，对应特定的波长和频率。
然而，在磁场中，能级发
生分裂，这会导致原子的光谱线分裂成多条。
这个效应可以通过塞曼效应的公式来计算，
公式的形式基于原子的量子力学特性和磁场的特性。
塞曼效应不仅仅在光谱分析方面应用广泛，它还有重要的应用于磁共振成像技术（MRI）。
MRI是一种医学成像技术，它使用强磁场和无线电波来生成人体内部的图像。
磁共振现象来源于塞曼效应，MRI中使用的磁场通常在1至3特斯拉之间。
通过改变磁场的强度和方向，可以对人体不同区域产生不同的成像结果，从而获取体内组织的详细信息。
总之，塞曼效应是磁场对原子光谱线分裂的影响，是现代物理学基础研究的重要内容。
其在光谱分析、物理学和医学成像等领域均有广泛的应用。
实验35塞曼效应
用上面所述的方法，可以求出它的塞曼分裂。下图表示在外磁场 作用下，汞绿线能级的分裂情况。
在外磁场作用下， S 1 和 P2 能级的分裂
3
3
（二）用标准具测量波数差
10 10 ， 塞曼效应造成的谱线很小，其相对值 即在可见光波段其分裂值在1/10nm数量级。棱镜光谱仪或光栅 光谱仪的分辨本领为103~105，故难以用常规光谱仪观察到塞曼 效应。法布里-珀罗标准具的分辨本领可达到106，故常用标准 具来观测塞曼效应。 由于标准具的自由光谱区很小，通常要先用常规光谱仪 分出一条条光谱线后，再用标准具进一步分光。
d
对同一级不同波长的波长差，有
2 2 d D D 2 2 b a a b ( D D ) ( ) b a 2 2 2 k D k 1 D k 4f k
测量时所用的干涉条纹是中心附近的干涉条纹，可令i=0,则 有
k
2d
则波长差的表达式可化为
ab
用波数差表示为
d、开启稳压电源，调节稳压电源电流为一定值。如图所示， 取相邻两级次的线偏光进行测量。
2、测量并计算波长差 按公式计算塞曼分裂的波数差。 1 2 2 2 2 2 2 D ab （ [ D2 D 12）（D 3 D2 ）（D 5 D4 ） 4 1 2 2 2 2 （D 6 D 5 ） ] （ [ D 32 D 12）（D 6 D4 ） ] 6
五、实验内容
1、调整光路，观察塞曼现象
a、点亮汞灯，把透镜置于光源和标准具之间适当位置，让光 充满标准具。由于标准具前已经放置滤光片，可以看到标准具视 场中布满绿色的干涉条纹。 b、调节标准具。眼睛在垂直于的平行面内上、下、左、右移 动时，若看到干涉环有缩冒现象，应调节标准具的三个调节旋钮， 直到无明显缩冒现象为止。 c、在标准具后安置透镜和目镜，调节两者的相对位置以看清 各干涉环。为保证视场足够明亮，整个光学系统应共轴。调节目 镜位置使目镜叉丝大体与干涉环直径重合。
实验报告塞曼效应
实验报告塞曼效应题目：实验报告-萨曼效应一、引言塞曼效应是指原子核或原子自旋在外磁场中的能级分裂现象。
其原理是：当原子核或原子自旋进入外磁场时，它的能级将会发生分裂，分裂的程度与外磁场的强弱有关。
这种效应的发现对研究原子核、原子结构以及核磁共振等领域产生了重要影响。
本实验就是要通过测量并分析原子核在外磁场中的分裂现象，来探究塞曼效应的基本原理。
二、实验目的1. 观察并分析原子核在外磁场中的能级分裂现象；2. 确定原子核能级的分裂规律；3. 探究外磁场强度对能级分裂的影响。
三、实验仪器与方法1. 仪器：萨曼效应实验装置、数字照相机、计算机等；2. 方法：a) 将所需的原子核放置在实验装置中，使其位于外磁场中；b) 调整外磁场的强度，保持稳定；c) 使用数字照相机拍摄原子核的能级分裂图像；d) 将图像导入计算机，利用图像处理软件进行分析。
四、实验结果与数据处理1. 实验现象：根据测量结果，所有原子核的能级在外磁场中均发生了分裂现象；2. 数据处理：通过对分裂图像的测量和分析，得到了原子核能级分裂的数量和间距等数据；3. 数据结果：经过实验，我们发现能级分裂的数量与外磁场的强度成正比，而能级分裂的间距与外磁场的强度成反比。
五、实验讨论1. 本实验结论与理论预期基本一致，说明塞曼效应的存在是客观存在的现象；2. 外磁场的强度可以影响原子核能级的分裂，这与塞曼效应的基本原理相符；3. 在实验过程中可能存在的误差源包括外磁场非均匀性、原子核数目的变化、图像处理软件误差等。
六、实验总结本实验通过观察和分析原子核在外磁场中的能级分裂现象，验证了塞曼效应的存在，并进一步研究了外磁场强度对能级分裂的影响。
实验结果与预期一致，进一步加深了对塞曼效应的理解。
然而，实验中也发现了一些潜在的误差源，需要进一步的研究和改进。
总体而言，本实验取得了较好的结果，对深入研究原子核与原子结构等领域具有一定的意义。
七、参考文献1. 塞曼效应的基本原理与应用，物理学报；2. 原子核与原子结构的基本原理，化学与物理杂志。
实验三塞曼效应实验
实验三塞曼效应实验塞曼效应实验是一种经典的物理学实验，它涉及到对原子和原子光谱的研究。
这个实验的目标是验证塞曼效应的存在，以及测量塞曼分裂的大小。
塞曼效应是指原子在磁场中分裂其光谱线的现象，它为研究原子结构和磁学提供了重要的基础。
一、实验目的本实验的目的是通过塞曼效应观察和测量光谱线的分裂，以加深对原子结构和磁学性质的理解。
二、实验原理塞曼效应是荷兰物理学家塞曼在1896年发现的。
他在研究原子光谱时发现，原子光谱线在磁场中会发生分裂。
这是因为在磁场中，原子中的电子自旋和轨道运动会产生磁偶极矩，从而与磁场相互作用，导致能级分裂。
根据塞曼效应的机制，光谱线的分裂规律遵循以下公式：ΔE = E0 + qB其中ΔE是分裂后相邻谱线的能量差，E0是原子能级的能量，q是原子能级的磁量子数，B是磁场的强度。
通过测量光谱线的分裂和已知的实验参数，可以计算出原子的磁量子数q，从而了解原子的结构。
此外，通过测量分裂谱线的相对强度，还可以推导出原子的磁矩。
三、实验步骤1.准备实验器材：光源（如钠灯）、磁场装置（如电磁铁）、望远镜、光电效应装置、稳压电源等。
2.安装实验器材：将光源、磁场装置和望远镜组装在一起，保证光源发出的光线经过磁场装置后能够投影到望远镜上。
3.调节磁场强度：通过稳压电源调节磁场装置的电流，改变磁场强度B。
4.观察光谱线分裂：在望远镜中观察光谱线的分裂情况。
随着磁场强度的改变，光谱线会分裂成多个线条。
5.测量分裂谱线的相对强度：使用光电效应装置测量分裂谱线的相对强度。
这可以通过测量不同谱线被光电效应装置吸收的程度来实现。
6.记录实验数据：将测量到的光谱线分裂情况和相对强度记录在实验记录表中。
7.数据处理与分析：根据实验数据计算出原子的磁量子数q和磁矩等参数，并对这些参数进行分析。
四、实验结果与讨论通过本实验，我们观察到了明显的塞曼效应，并测量了光谱线的分裂情况。
实验结果显示，随着磁场强度的增加，光谱线分裂程度逐渐增大。
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由光谱区很小，通常要选用常规光谱仪分出一条条光谱线
后，再用标准具进一步分光。
在法布里-波罗标准具的投射光中，相邻两光束的光程差
为 2nd cosi，在空气中n=1，所以 2d cosi
当光程差等于波长的整数倍时，形成干涉环，即对于k极
干涉环，满足 k 2d cosi
cosi
f
1 D2
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。
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讲解：XX
f 2 D 2
8f 2
2
2d(1 D2 ) k
8f 2
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讲解：XX
8
对同一波长光产生的相邻两级k和k-1线，干涉条纹直径平方之 差表示为
对同一级不同波长a 和 b的波长差 ab
用波数差表示为
ab
a
b
1 2d
Da2b D 2
a
b
2
2d
( Db2 Da2 ) Dk21 Dk2
线为振动方向平行于磁场的线偏振光。沿磁场 方向观测不到 线。
当
时，产生6条 线。沿垂直磁场方向观
测， 线为振动方向垂直于磁场的线偏振光。沿
磁场方向观测， 线为圆偏振光。
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讲解：XX
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二、用标准具测量波数差：法布里-波罗标准具的分辨本领可
达 ，故常用标准具来观测塞曼效应。但由于标准具的自
开启稳压电源电流为一定值，可看到干涉环。未加磁场时
的一个干涉环在磁场中分裂成9条干涉环，其中3条为成分， 取相邻两级次的 成分进行测量，如图3-5-6所示。
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讲解：XX
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（二）测量并计算波长差
ab
a
b
1 2d
Da2b D 2
式中Da2b 为同一干涉级相邻两干涉环直径平方差，即
Da2b
3
实验目的
一、深入理解塞曼效应的理论原理； 二、复习并熟悉标准具的原理及使用； 三、通过实验来观察塞曼分裂的现象，并测量波数差及电子
的荷质比。
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讲解：XX
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实验原理
一、谱线在磁场中的分裂：有磁场B时能级E发生分裂，附加能
量
；率变化为 相应的波束差为
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讲解：XX
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本实验研究汞546.1nm的塞曼分裂。汞绿线546.1nm是
跃迁 ，两能级的M值为
和
塞曼效应的选择定则是
故在外磁场作用下，546.1nm线的分裂情况可由下图显示，即
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讲解：XX
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其中对应
的线与原谱线相同，各相
邻的分裂谱线波数差是L/2。
当 时，产生3条 线。沿垂直磁场方向观测，
此式就是实验中用以计算波数差的公式。
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讲解：XX
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实验装置
实验装置由磁场、光源、分光系统和观测系统等四大 部分组成。其中O为光源；、为透镜；P为偏振片；F 为干涉滤光片；F-P为标准具；1为磁场；2为激磁电源。
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讲解：XX
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实验内容
（一）调整光路，观察塞曼现象 点亮汞灯。把透镜置于光源和标准具之间适当的位置，让
光充满标准具。由于标准具前已放置滤光片 ，水银光谱的其 他成分已被滤除。
调节标准具。若标准具两反射面不平行，则眼睛在垂直于 光轴的平行平面内上、下、左、右移动时，将会看到干涉环 的缩冒现象，这时需调节标准具的三个调节旋钮。
在标准具后安置透镜和目镜，调节两者的相对位置以看清 各干涉环。注意整个光学系统应共轴，否则视场不够明亮。 调节目镜位置使目镜叉丝大体与干涉环直径重合。
1 4
( D22
D12 ) (D32
D22 ) (D52
D
2 4
)
(
D62
D52 )
1 4
( D32
D12 ) (D62
D42 )
D2为同一波长相邻两级次的环直径平方差 D2 D52 D22
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讲解：XX
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（三）测量并计算荷质比 对于正常塞曼效应，分裂谱线的波束差为
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讲解：XX
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目录
• 一、背景知识； • 二、实验目的； • 三、实验原理； • 四、实验装置； • 五、实验内容。
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讲解：XX
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背景知识
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。
L eB 4mc
进而荷质比为
e 2c Da2b
m dB D 2
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讲解：XX
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