塞曼效应实验报告

近代物理实验报告
塞曼效应实验
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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：
∴分裂后谱线与原谱线频率差
由于
为方便起见，常表示为波数差
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：U）
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：⊙
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。

例：Hg 5461Å谱线，{6S7S}3S1→ {6S6P}3P2能级跃迁产生
分裂后，相邻两谱线的波数差
实验方法：
观察塞曼分裂的方法：
塞曼分裂的波长差很小由于以Hg 5461 Å谱线为例当处于B=1T的磁场中
要观察如此小的波长差，用一般的棱镜摄谱仪是不可能的，需要用高分辨率的仪器，如法布里—珀罗标准器（F—P标准具）。

F—P标准具由平行放置的两块平面板组成的，在两板相对的平面上镀薄银膜和其他有较高反射系数的薄膜。

两平行的镀银平面的间隔是由某些热膨胀系数很小的材料做成的环固定起来。

若两平行的镀银平面的间隔不可以改变，则称该仪器为法布里—珀罗干涉仪。

标准具在空气中使用时，干涉方程（干涉极大值）为
标准具有两个特征参量自由光谱范围和分辨本领。

自由光谱范围的物理意义：
表明在给定间隔圈原度为d的标准具中，若入射光的波长在λ～λ+Δλ间（或波数在间）所产生的干涉圆环不重叠，若被研究的谱线波长差大于自由光谱范围，两套花纹之间就要发生重叠或错级，给分析带来困难，因此在使用标准具时，应根据被研究对象的光谱波长范围来确定间隔圈的厚度。

分辨本领：（）：
对于F—P标准具
N为精细度，两相邻干涉级间能够分辨的最大条纹数
R为反射率，R一般在90%
（当光近似于正入射时）
例如：d=5mm，R=90%，λ=546.1nm时Δλ=0.001nm
二、实验仪器与装置
该实验可采用多种仪器与方法，一般常用的是在塞曼效应仪上加以不同的观察装置。

观察塞曼效应的实验装置图如下所示：
汞灯光由会聚透镜成平行光，经滤光片后546.1埃光入射到F—P标准具上，由偏振片鉴别π成分和σ成分，再经成像透镜将干涉图样成像在摄谱仪胶片或望远镜CCD光敏面处。

观察塞曼效应时，可将电磁铁极中的芯子抽出，磁极转90º，光从磁极中心痛过。

将1/4波片置于偏振片前方，转动偏振片可以观测σ成分的左旋和右旋圆偏振光。

本实验室的WPZ—II/II A
塞曼效应仪，采用CCD望远镜观察，计算机采集图像并处理，整套仪器组成如下图：
三、实验目的
1.观察塞曼效应仪，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。

四、实验内容与方法
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，用F—P标准具测量波长差及电子的荷质比。

1.将汞灯调节到磁场最强处，按上图调整光学系统，调节各光学部件同轴等高。

注意：调节共轴等高是本实验的一个关键点也是一个难点，可以采用二次成像法来调节。

二次成像法：利用凸透镜能在较近与较远处成像，通过观察这两个清晰像的中心相同来调节共轴等高。

2.观察汞（Hg）546.1nm谱线在B=0与B≠0时的物理图像。

转动偏振片，检查横效应和纵效应下分裂的成分。

（本实验主要研究横效应）
3.测量与数据处理：将横效应的 成分观察到的图像保存成jpg或bmp格式，用塞曼效应分析软件测量出k、k-1和k-2级各干涉圆环的直径，用特斯拉计测量汞灯处的磁场B。

利用已知常数d（d=2mm）及公式计算出∆v，再计算e/m。

五、实验数据及结论
1.实验数据：
已知常数：汞灯波长546.1nm，标准具间距d=2mm，理论荷质比e/m=1.75881962×1011C/kg。

实验测得：加磁场时汞灯处B=1235mT，
B=0时能级图：
B=1.235T时的能级图：
从图中我们可以清楚的看到，在加磁场后，汞546.1nm谱线明显发生塞曼分裂，每一条谱线分裂成3条（有横效应的前提）。

用塞曼效应分析软件处理后结果为：
从图中我们可以看出所得到的电子的荷质比为1.865（此处未加上数量级），与理论的1.7588的误差为：
%04.6%1007588
.17588
.1865.1=⨯-。

（误差产生的原因有两方面：1.软件处
理时画圆定点不够仔细，2.调节共轴等高时有一定误差）同时，本实验由于时间等原因未能进行多次测量。

2.理论计算
我们知道理论)(7.461
1
--=∆T m B υ，因为mc
eB
g M g M πλλυ4111122)
-(=-'=∆,代入理论的荷质比（e/m ）与实际的磁场强度B ，后得出
81.01122=-g M g M ，而实际)
()()
()(22122λλλλλλυk k k k D D D D k -∆±-1±=∆-，代入结果图中的数据得
50≈∆υ，同时将公示简单变形后能得出荷质比1110884.1/⨯=m e ，与软件得出结果较为接
近。

3.误差分析
1）调节共轴等高的时候存在误差。

2）软件处理画圆时存在误差。

3）实验本身存在的误差。

六、实验反思
塞曼效应实验作为一个经典的物理现象，在实验过程中我们基本能看到所预期的现象，但总是存在所成的图像不够完善。

造成这一问题的根本原因在于调节共轴等高，如果这个调好了，那么整个实验是会相当顺利的。

最后经过这次实验我对上个学期原子物理中理论上所学的塞曼效应有了更深入的理解。