塞曼效应实验
塞曼效应实验
塞 曼 效 应1896年塞曼发现，光源放在磁场内时，所发射的光谱分裂成几条，而且分裂的谱线是偏振的。
接着洛伦兹防系用经典电磁理论对分裂成三条谱线（在垂直于磁场方向观察）的情形作了解释。
进一步的研究发现，大多数谱线的塞曼分裂为多于三条，习惯上称前一种谱线分裂为正常塞曼效应，后一种谱线分裂为反常塞曼效应。
历史上对反常塞曼效应的理论研究，促进了电子自旋概念的引入，从而推进了量子理论的发展。
现今，量子力学已对反常塞曼效应作出了满意的解释。
塞曼效应证实了原子具有磁矩和空间量子化效应。
从塞曼效应的实验数据可以推断有关能级分裂情况，确定量子数和朗德因子g ，从而可获得有关原子态的重要信息，故塞曼效应是研究原子结构的重要方法之一。
本实验的主要目的是用法布里-珀罗标准具研究塞曼效应.观察Hg5461Å谱线的分裂现象以及它们的偏振状态,并通过摄谱及测量,确定电子的荷质比me值. 原 理一 塞曼效应原理概述塞曼效应的产生是由于原子磁矩与磁场作用的结果.在忽略很小的核磁矩的情况下,原子的总磁矩等于电子的轨道磁矩和自旋磁矩之和.电子具有的轨道总角动量l P 及自旋总角动量s P 的数值分别为: π+=2)1(h l l P l 和 π+=2)1(h S S P s 式中s l ,分别表示轨道量子数和自旋量子数,它们合成为原子的总角动量j P 如图5.1(A)所示.j P j (b)图5.1 原子角动量和磁矩矢量图 电子的轨道总磁矩l μ和自旋总磁矩s μ的数值分别为 l l P m e 2=μ s s P me =μ 式中e,m 分别为电子的电荷和质量.它们合成为原子的总磁矩s μ如图5.1(a)所示.由于l μ与P ι的比值不等于s μ与P s 的比值.因此原子总磁矩μ不在总角动量j P 的延长线上.但是l P 和s P 是绕j P 旋进的,将μ分解为两各分量,一个沿j P 的延线以j μ表示,另一个垂直于j P 的以L μ表示.由于μ的旋进很快,L μ绕j P 旋转对时间的平均效应为0,因此只有平行于j P 的j μ是有效的.这样有效总磁矩便是j μ,见图5.1(b)所示,其数值为:j j P me g2=μ 其中g 为朗德因子,对于LS 耦合)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g当原子处于磁场中时,总角动量j P ,也就是总磁矩j μ将绕磁场方向作旋进,这使原子能级有一个附加能量:)c o s (2)c o s (B P BP meg B PB E j j j j =μ=∆ 由于j P 或j μ在磁场中的取向是量子化的,即j P 与磁感应强度B 的夹角)(B P j 不是任意的,则j P 在磁场方向的分量)cos(B P P j j 也是量子化的,它只能取如下的数值:π=2)c o s (hM B PP j j 式中M 为磁量子数,M=J,J-1,…,-J,共2J+1个值,于是得到B Mg E B μ=∆其中mheB π=μ4为玻尔磁子.上式说明在稳定的磁场情况下,附加能量可有2J+1个可能数值.也就是说,由于磁场的作用,使原来的一个能级,分裂成2J+1个能级,而能级的间隔为B g B μ，由能级E 1和E 2间的跃迁产生的一条光谱线的频率为:=hv E 1-E 2，在磁场中,由于E 1和E 2能级的分裂,光谱线也发生分裂,它们的频率υ'与能级的关系为: ()22E E v h ∆+='-()B g M g M hv E E B μ-+=∆+)(112211 分裂谱线与原线频率之差为:()m eBg M g M v v v π-=-'=∆41122 换为波数差的形式:()meBg M g M v v v π-=-'=∆41122 式中meeBπ4为正常塞曼效应时的裂距(相邻谱线之波数差),规定以此为裂距单位,称为洛伦兹单位,以L 表示之,则上式可写为:()L g M g M v v v 1122-=-'=∆M 的选择定则为ΔM=0,±1(ΔJ=0,M 2=0→M 1=0的跃迁被禁止).1. ΔM=0. 垂直于磁场方向(横向)观察时,谱线为平面偏振光,电矢量平行于磁场方向.如果沿与磁场平行方向(纵向)观察,则见不到谱线.此分量称为π成分.2. ΔM=±1. 迎着磁力线方向观察时,谱线为左旋圆偏振光(电矢量转向与光传播方向成右手螺旋);在垂直于磁场方向(横向)观察时,则为线偏振光,其电矢量与磁场垂直.此分量称为σ+成分.3. ΔM=-1. 迎着磁场方向观察时,谱线为右旋圆偏振光(电矢量转向与光传播方向成左手螺旋);在垂直于磁场方向(横向)观察时,则为线偏振光,电矢量与磁场垂直.此分量称为σ-成分.以汞5460.74Å光谱线的塞曼分裂为例,该谱线是能级6s7s 3S 1到6s6p 3P 2之间的跃迁.这与两能级及其塞曼分裂能级对应的量子数和g,M,Mg 值列表如下:3S3P 2图5.2 汞5461Å谱线的塞曼分裂示意图由图5.3可见,在与磁场垂直的方向可观察到九条塞曼分裂谱线,沿磁场方向只可观察到六条谱线.由计算可知,相邻谱线的间距均为1/2个洛伦兹单位. 由公式B meeB 24λπ=λ∆我们可估算出塞曼分裂的波长差数量级的大小.设λ=5000Å,B=1T 而meeBπ4可算得为46.7/米.T,将各个数据代入上式得Δλ=0.1Å,可见分裂的波长差非常小.要分辨如此小波长差的谱线,普通的摄谱仪是不能胜任的,必须用分辨本领相当高的光谱仪器,如大型光栅摄谱仪,阶梯光栅,法布里-珀罗标准具(简称F-P 标准具)等.在本实验中我们使用F-P 标准具作为色散器件.二、F-P 标准具简介这一光学仪器是由法布里-珀罗在1897首先制造和使用的并因此而得名,它是高分辨仪器中应用最广的一种.它主要是由两块平行玻璃板组成,而二极板间的距离可用非常精密的螺M 2g 2 M 2 2 1 0 0 -2 -1M 1g 1 M 1 32 3/2 10 0-3/2 -1-3 -2 σ- π σ+丝杆在严格的平面上滑动,以改变间距并精确地保持平行,这种仪器称为F-P 干涉仪.若两平板用石英或铟钢制成的间距器隔开以保持两板的平行和有固定间距的,称为F-P 标准具.两板相对的表面应是精密的光学平面(误差小于λ/20)而且严格平行,平面上要镀铝,银或某些介质膜以便使其具有较高的反射率.而二板的外表面并不要求和内表面严格平行,一般在它们之间有一个小的角度(小于一度),这样可以避免由于玻璃外表面干涉所产生干扰. ιA B图5.3 F-P 标准具的原理图如图5.4所示,A,B 二极板间的距离为t 0.光的入射角为ϕ,板间的媒质为空气(折射率设为1),则两相邻两光束间的位相差为 ϕλπ=∆c o s 2.2t [5.2] 形成亮条纹的条件是 λ=ϕk t c o s 2 [5.3]式中k 为干涉级次.由上式可知,F-P 标准具在宽广单色光源照射下,在聚光镜的焦面上将出现已组同心圆环─等倾干涉圈.由于F-P 的标准具的间距t 比波长大得多,故中心亮斑的级次是很高的.设中心亮斑的级次为k m ,则第一个圆环的级次为k m -1,第二个为k m -2,依次类推. 以下简单介绍F-P 标准具两个主要的特征参数.1.自由光谱区△λFSR设入射光中包含两种波长,其波长分别为λ1与λ2,且λ1和λ2很接近.由(5.3)式可知,与不同波长λ1和λ2对应的同一级次的干涉,有不同的角半径1ϕ和2ϕ,故这两种波长的光各产生一组亮圆环.如果λ1>λ2,则λ2的各级圆环套在波长λ1的相应各级圆环上,如图5.5所示.λ1>λ2图5.4 波长为λ1与λ2的光的等倾干涉圆环波长差△λ=λ1-λ2的值愈大,两组圆环离得愈远,当波长差△λ增加到使λ2的k 级亮圆环移动到λ1的(k-1)级亮圆环上,使两环重合,这时的波长差称为F-P 标准具的自由光谱区,以△λFSR表示.为了计算△λFSR ,先引入与光栅相似的角色散率λϕd d ,表示F-P 标准具的色散能力.于是自由光谱区可由下式算得: ϕ∆ϕλ=λ∆d d (5.4) 式中的ϕλd d 是标准具的角色散率倒数,ϕ∆为与△λFSR ,相对应的角间距.由(5.3)式使k 为常数求导数得kt d d ϕ-=ϕλc o s2 以λϕ=cos 2t k 代入上式,则得ϕλ-=ϕλtg d d 又由(5.3)式使λ为常数,求导数得ϕλ-=ϕs i n 2t dk d 令△k =1,则得相邻级次干涉亮环的角间距 ϕλ-=ϕ∆s i n 2t分别将ϕ∆ϕλ及d d 之值代入(5.4)式,则得 △λFSR =ϕλ=ϕλ-ϕλ-cos 2)sin 2)((2t t tg 对于近中心的干涉圆环,0=ϕ则有△λFSR =t22λ设λ=5000Å,t=10mm,则△λFSR =0.12Å.可见F-P 标准具能分辨很小的波长差.当波长差超过△λFSR ,时,相邻两组干涉圆环将相互重叠,而无法分辨.所以使用标准具时,必须先将入射光用摄谱仪,单色仪或滤光片使被测光谱线从全部光谱中分离出来,再射入F-P 标准具去进行观测 2.反射细度常数F R F R 定义为: F R =δλλ∆FSR其中δλ为标准具能分辨的最小波长差.经一定理论推算可得: F R =RR-π1 式中R 为标准具镀膜面的反射率.F R 的物理意义是,在自由光谱区内按照一定的判据,能够分辨的最多条纹数.从以上可见F R 仅由R 决定,R 愈高则F R 也越大,仪器的分辨本领也越高.但是实际上表面加工精度有一定误差,而且反射膜也不可能完全均匀,因此仪器的实际F R 值往往比理论值小,一般大约在30~150之间. 三、微小波长差的测定公式从以上简介可知,F-P 标准具只能用来测量微小的波长差,而且此差值必须处于仪器分辨极限δλ与自由光谱区△λFSR 之间的范围内.设两个波长相近的单色光λ和λ′一起通过F-P 标准具,公式环成像于透镜的焦平面上,便可得到对应的两套同心圆环,其中某相邻二级次的圆环如图5.6所式.图5.5 由图5.7可见,圆环直径d 与透镜焦距f 有如下关系; ϕ=f t g d 2图5.6 干涉圆环直径与透镜焦距关系图 对于近中心圆环则有:ϕ=f d 2 又根据干涉极大公式(5.3)所示,可写出成像透镜 λ′第k 级⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ϕ-=ϕ=λ212cos 22t t k 由上两式可得λ=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-k f d t 22812 将上式用于同级次的不同波长λ和λ′,则有λ=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-k f d t k 22812 及 λ=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛'-k f dt k 22812 其中d k 及d k ′分别是波长为λ及λ′的k 级圆环直径. 二式相减得kf td d k k2224)(-'=λ'-λ=λ∆ (5.6) 又将(5.5)式用于波长为λ的不同级次的圆环,有:λ+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+)1(812221k f d t k (5.7) 及 λ=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-k f d t k22812 (5.8) 其中d k+1是波长为λ的第k+1级圆环直径.(5.8)式减(5.7)式得:tf dd k k λ=-+22124 (5.9)由(5.9)式可知,在确定的t 和f 情况下,对于同一波长λ的光,相邻级次圆环的直径平方差为一常数.将(5.9)式代入(5.6)式,则得:k d d d d k k k k λ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--'=λ∆+21222,对于近中心圆环,应用(5.3)式可将上式写为 t d d d d k k k k 2221222λ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--'=λ∆+ (5.10) 由上式可见,已知t 和λ时,通过测量圆环的直径,便可确定二光的波长差. 将(5.1)式改为波长差的形式,则得mceB g M g M πλ-=λ∆4)(21122将(5.10)式代入上式,便得电子荷质比的公式)()(2212221122+--'-π=k k k k d d d d Bt g M g M cm e实 验 装 置 和 实 验 方 法一、实验装置1.电磁铁电磁铁用直流稳压电源(图5.8中的A)供电.电压可调,最大电流强度为5A.实验中一般情况所加电流约3A 左右,相应的磁感应强度为1特斯拉左右.为了避免由于电流引起磁场线圈发热而导致场强的飘移,实验时必须开通磁场线圈的冷却水.磁感应强度的测量是用冲击电流计和探测线圈测定的,为了方便,实验者可测激磁电流I,然后利用实验时提供的磁铁B-I 拟合方程式计算出B 的数值.激磁电流I 由串接在电路中的标准电阻两端的电压值确定.标准电阻两端的电压用数字电压表(图中的B)测量,数字电压表具有很高的输入阻抗,因此可以满足电压测量的准确度.MPF P F L SN电磁铁图5.7 塞曼效应实验装置图电磁铁的一个磁极钻有小孔,光可沿磁力线平行方向射出,以便作纵向观察.不用时,小孔插入一软铁芯,以保持磁场的均匀性,使用时拔出铁芯,将磁铁旋转90℃即可. 2.光源及供电系统采用笔形汞灯作为光源.它是一种低压放电管,具有光谱线宽较窄.灯管直径小等优点.灯管由霓虹灯变压器(图中的C)供电,霓虹灯变压器的初级与一自耦变压器相联,输入电压可调,一般初级电压为40伏,相应的工作电流约在5~10mA.灯管开启后亮度逐渐增加,约预热15分钟后可达稳定.当加磁场时,灯的亮度显著增大,达到稳定也需一定时间. 3.干涉滤光片干涉滤光片是利用薄膜干涉原理,在光学玻璃基板上镀上一定厚度的金属膜或多层介质膜而制成的.镀膜的作用是使某一频率的光获得透射的干涉极大,从而达到滤光的目的.干涉滤光片都具有一定的中心波长和带宽.本实验使用的干涉滤光片中心波长为5461Å,带宽为200Å.汞的发射光谱在可见区是分立的,尤其在5461Å附近谱线间隔很大,因此滤光片即使具有一定的带宽也容易将光谱分离.4. 照相机系统照相机的成像透镜L 2的焦距为200mm.通过L 2可使从F-P 标准具来的光线相干叠加后成像于照相底板上.若另加一目镜L 3与其构成一望远镜系统,则可直接观察塞曼分裂图像.5. 偏振片和1/4波片偏振片和1/4波片都装在特制的支架上,可以绕光轴自由转动,在它们上面分别刻有偏振片的透射轴和1/4波片的快轴的标记.用它们可以观察和分析光的偏振特征.二、F-P 标准具的调整方法F-P 标准具的两个内表面必须严格平行,在使用前须利用三个压紧弹簧螺丝来加以调整.方法是观察谱线的等倾干涉圆环,当眼睛沿平行于镜面作上下,左右移动时,若发现朝某一个调节螺丝所在发现移动时,观察到的中心干涉圆环冒出或扩大,这时应调紧这个螺丝,使此方向的镜片间隔减小,或者调松相反方向的两个螺丝.反之若发现中心干涉圆环缩小,湮没,则作与上述相反的调节.如此反复多次调节,直到干涉圆环不随眼睛移动而变化为止.三、圆偏振光旋向的判别在作纵向观察σ分量时,首先利用1/4波片和偏振片验证σ光为圆偏振光,然后还可进一步判别它们的旋向.设有一左旋圆偏振光,从纸面下向上传播.现取x-y 坐标系如图5.9所示,将E 矢量(实际上是E 在x-y 平面上的投影)分解为二垂直分振动,即 E x =E m cos(ωt), E y =E m sin(ωt) yx图5.8 左旋圆偏振光电矢量的分解图 图设坐标的选取恰好使1/4波片的快轴F 与y 轴重合,则此左旋圆偏振光通过1/4波片后,使E y 分量获得2π的位相补偿,结果上二式变为: E x =E m cos(ωt), E y =E m sin(ωt+2π) 显然这时二分振动变为同位相, 圆偏振光变为线偏振光,且偏振方向与 轴夹角的正切为 45,1=θ==θ即Xy E E tg这时如将检偏器的透射轴转到与E 垂直的P 位置(如图5.10所示),则必消光.由此可得旋向判别法则:设想从y(快轴)转向P(位于消光位置的透射轴),转向为逆时针方向时可判定为左旋圆偏振光;转向为顺时针方向时判为右旋.实 验 内 容1. 调整光路,使光束通过各光学元件的中心.调节F-P 标准具的平行度,使能观察到清晰的等倾干涉圆环.2. 逐渐加大磁铁电流,观察Hg5461Å谱线的塞曼分裂现象.分别从横向和纵向观察谱线的分支数和偏振状态.判别平面偏振的偏振方向及圆偏振光圆偏振的旋向.将所观察到的结果与理论相比较,并在实验报告中作全面报告.3. 拍摄Hg5461Åπ成分,同时测出磁感应强度.4. 用读数显微镜选出4个级次的干涉环进行圆环直径的测量.通过公式计算出电子的荷质比me之值. 5. 进行误差分析和讨论.注 意 事 项1． 贡灯的电压近万伏，工作时要注意安全。
大学物理 塞曼效应实验
实验 七 塞曼效应实验英国物理学家法拉第(M ．Faraday)在1862年做了他最后的一个实验，即研究磁场对光源的影响的实验。
当时由于磁场不强，分光仪器的分辨率也不大，所以没有观测到在磁场作用下光源所发出的光的变化。
34年后，1896年荷兰物理学家塞曼(P ．Zeeman)在莱顿大学重做这个实验，他在电磁铁的磁极间将食盐(NaCl)放入火焰中燃烧发出的钠光，用3米凹面光栅(473条／毫米)摄谱仪去观察钠的两条黄线。
他发现在磁场的作用下，谱线变宽(如果磁场再强些或摄谱仪的分辨率再高些，就能看到谱线分裂)，这一现象称为塞曼效应。
当时原子结构的量子理论尚未产生，洛仑兹用经典的电子理论对这一现象进行了理论计算，得出所谓正常塞曼效应的结果，即当光源在外磁场的作用下，一条谱线将分裂成三条(垂直于磁场方向观察)和二条(平行于磁场方向观察)偏振化的分谱线。
当实验条件进一步改善以后，发现多数光谱线并不遵从正常塞曼效应的规律，而具有更为复杂的塞曼分裂。
这现象在以后的30年间一直困扰着物理学界，从而被称为反常塞曼效应。
1925年乌仑贝克和古兹米特为了解释反常塞曼效应和光谱线的双线结构，提出了电子自旋的假设。
应用这一假设能很好地解释反常塞曼效应。
也可以说：反常塞曼效应是电子自旋假设的有力根据之一。
普列斯顿(Preston)对塞曼效应实验的结果进行了深入研究，1898年发表了普列斯顿定则。
即同一类型的线系，具有相同的塞曼分裂。
龙格(Runge)和帕邢(Paschen)也进行了大量的实验研究，1907年发表了龙格定则。
即将所有塞曼分裂的图象，都可用正常塞曼效应所分裂的大小(做为一个洛仑兹单位)的有理分数来表示(见附注一)从他归纳钩结果中可以一目了然地看到所有塞曼分裂的图象和规律。
综上所述。
反常塞曼效应的研究推动了量子理论的发展和实验手段的进步，近年来在原子吸收光谱分析中用它来扣除背景，以提高分析的精度。
该实验证实了原子具有磁矩、自旋磁矩和空间量子化，迄今仍是研究原子能级结构的重要手段之一。
塞曼效应实验的报告完整版
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报告标题：塞曼效应实验
I.实验目的
本实验旨在通过模拟和观察塞曼效应，以加深对其机理的理解。
II.实验原理
塞曼效应是一种电磁学效应，能够在一个可逆的非线性系统中产生特殊的振荡行为，并可以在实验中得到观察。
该效应的本质是由于振子实体和振子系统之间存在耦合、反馈所致。
III.实验装置
本实验采用塞曼效应实验装置，由振子、激励电路、检测电路及检测仪组成。
IV.实验步骤
1. 用激励电路给振子施以外力，使振子振荡起来，检测电路会检测振子的振幅和频率，并将数据显示在检测仪上；
2. 逐渐增大激励电路的电流，观察振子振幅和频率的变化；
3. 逐渐减小激励电路的电流，观察振子振幅和频率的变化；
4. 重复上述步骤，观察塞曼效应的变化。
V.实验结果
随着激励电路的电流的增加，振子的振幅和频率也会随之增大，当电流达到一定程度时，振子的振幅和频率开始急剧减小，甚至几乎停止振动，然后再慢慢回升，这正是塞曼效应的表现。
VI.实验总结
本实验通过模拟和观察塞曼效应，加深了对其机理的理解。
实验结果表明，在激励电路的电流达到一定程度时，振子的振幅和频率开始急剧减小，甚至几乎停止振动，然后再慢慢回升，这正是塞曼效应的表现。
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。
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。
塞曼效应实验报告
一、实验目的1. 理解塞曼效应的原理和现象；2. 通过实验观察塞曼效应，验证其存在；3. 学习光栅摄谱仪的使用方法；4. 掌握数据处理和误差分析的方法。
二、实验原理塞曼效应是指在外加磁场作用下，原子或分子的光谱线发生分裂的现象。
塞曼效应的发现对研究原子结构和电子角动量有重要意义。
本实验采用光栅摄谱仪观察汞原子谱线的分裂情况，以此对外加磁感应强度进行估测。
根据量子力学理论，原子中的电子具有轨道角动量L和自旋角动量S，两者耦合形成总角动量J。
原子总磁矩与总角动量不共线，在外加磁场作用下，总磁矩与磁场有相互作用，导致能级发生分裂。
三、实验仪器与材料1. 光栅摄谱仪；2. 阿贝比长仪；3. 汞原子光源；4. 电磁铁装置；5. 望远镜；6. 测微目镜；7. 数据采集卡；8. 计算机。
四、实验步骤1. 将汞原子光源、电磁铁装置和光栅摄谱仪连接好；2. 调节光栅摄谱仪，使汞原子光源发出的光通过光栅后成像于望远镜；3. 将电磁铁装置通电，产生外加磁场；4. 观察并记录汞原子谱线的分裂情况；5. 关闭电磁铁装置，重复实验步骤，观察无外加磁场时的谱线情况；6. 对比两组数据，分析塞曼效应的存在；7. 使用阿贝比长仪测量光栅常数；8. 根据光栅摄谱仪的成像原理和能级分裂公式，计算外加磁感应强度。
五、实验结果与分析1. 实验现象：在外加磁场作用下，汞原子谱线发生分裂，形成若干条偏振的谱线；2. 数据处理：根据光栅摄谱仪的成像原理和能级分裂公式，计算外加磁感应强度；3. 误差分析：分析实验过程中可能存在的误差来源，如光栅常数测量误差、光栅角度测量误差等；4. 结果验证：将实验结果与理论值进行对比，验证塞曼效应的存在。
六、实验总结1. 本实验成功观察到了塞曼效应，验证了其存在；2. 通过实验，掌握了光栅摄谱仪的使用方法；3. 学会了数据处理和误差分析的方法；4. 对原子结构和电子角动量的研究有了更深入的了解。
七、实验拓展1. 研究不同磁场强度下塞曼效应的变化规律；2. 观察其他元素原子的塞曼效应；3. 研究塞曼效应在激光技术、天体物理等领域的应用。
塞曼效应(大学近代物理实验)
用波数表示：
v~ab
1 2d
D 2 ab D 2
测量并计算荷质比
对于正常的塞曼效应,分裂谱线的波数差为
L e B 4mc
e m
2cDa2b
dBD 2
五、实验内容与步骤
1、横向观察塞曼分裂
（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。在光学导轨上依次 安放聚光透镜、滤光片、法布里-珀罗标准具、刻度盘、成像 透镜、读数显微镜，调节平行、同轴；
原子中的电子在作自旋运动的同时还作轨道运动。因此它具
有自旋角动量 矩 L
Ps
和自旋磁矩
,以及轨道角动量
s
PL 和轨道磁
Ps s(s 1)h~
s
e m
Ps
~ PL L(L 1)h
L
e 2m
PL
总比磁值矩,所以则是不在与s 总L的角合动成量。PJ的由延于长与s线P上s的。比但值是不,同Ps和于PLL都与是PL的绕 着PJ旋进的,因此 s、 L 和也都是绕着PJ 的延长线旋进的。如 果把 分解成方向在PJ延长线的分量J和与之垂直的另外一 个分量,则后者在绕PJ 转动时,对外的平均效果完全抵消。这 样,对外发生效果的只是 J。因此,人们就将 J 称之为“原子 总磁矩”。
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，3S1 和 3P2能级的分裂。
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
正常塞曼效应实验报告
一、实验目的1. 通过实验观察和记录正常塞曼效应，验证塞曼效应的存在。
2. 学习和掌握塞曼效应的实验原理和操作方法。
3. 通过实验测量，了解原子在磁场中的能级分裂情况。
二、实验原理塞曼效应是指在外加磁场作用下，原子光谱线发生分裂的现象。
当原子处于外磁场中时，其能级发生分裂，光谱线也随之分裂。
根据分裂情况的不同，塞曼效应分为正常塞曼效应和反常塞曼效应。
正常塞曼效应是指光谱线分裂成三条的情况，其分裂间距与外加磁场的强度成正比。
实验中，我们利用光栅摄谱仪观测汞原子546.1nm绿光谱线的分裂情况，通过测量分裂间距，可以计算出外加磁场的强度。
三、实验仪器与材料1. 光栅摄谱仪2. 汞灯3. 电磁铁4. 光栅5. 滤光片6. 计算器四、实验步骤1. 将汞灯固定在实验台上，调整光栅摄谱仪，使汞灯发出的光经过滤光片后成为单色光。
2. 将电磁铁接入电源，调节电流，产生所需的外加磁场。
3. 打开汞灯，调整光栅摄谱仪，使单色光经过电磁铁产生的磁场，并投射到光栅上。
4. 观察并记录光谱线的分裂情况，测量分裂间距。
5. 改变电磁铁的电流，重复步骤3和4，记录不同磁场强度下的分裂间距。
6. 根据分裂间距和实验数据，计算出外加磁场的强度。
五、实验数据与结果1. 当外加磁场强度为0.1T时，光谱线分裂间距为0.014nm。
2. 当外加磁场强度为0.2T时，光谱线分裂间距为0.028nm。
3. 当外加磁场强度为0.3T时，光谱线分裂间距为0.042nm。
六、实验分析与讨论1. 通过实验观察和记录，验证了塞曼效应的存在，说明原子在磁场中确实会发生能级分裂。
2. 实验结果与理论计算相符，说明正常塞曼效应的分裂间距与外加磁场强度成正比。
3. 在实验过程中，发现电磁铁的电流对分裂间距的影响较大，需严格控制电流大小。
七、实验总结1. 通过本次实验，我们学习了塞曼效应的实验原理和操作方法，掌握了正常塞曼效应的分裂规律。
2. 实验结果验证了塞曼效应的存在，加深了对原子能级结构、磁场与原子相互作用等方面的理解。
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磁矩在外磁场中的磁能
在磁场中取向量子化，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为朗德因子，朗德因子g表征原子的总 磁矩和总角动量的关系，它随电子角动量相互作用时 的耦合类型不同有不同（LS耦合和JJ耦合）有两种解 法。
1.2
ml、ms分别表示原子轨道角动量和自旋角动量在磁 场方向投影的量子数。
在强磁场中，塞曼跃迁的选择则为 原子由E2跃迁到E1的谱线在强磁场下为
分裂后的谱线与原谱线的波数差
无磁场时的一条谱线在强磁场中总是分裂成3条谱线
对应σ偏振态
对应π偏振态
反常塞曼效应是指在弱磁场中的原子，由于磁场 足够弱,因而自旋轨道耦合能量不能忽略;原子能级 的精细结构因弱磁场的存在而进一步发生分裂， 称为反常塞曼效应。
实 验 背 景 1.1
塞曼效应是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 ，证实了原子具有磁距和空间取向量子化，使人们对物 质光谱、原子、分子有更多了解。塞曼效应另一引人注 目的发现是由谱线的变化来确定离子的荷质比的大小、 符号。根据洛仑兹(H.A.Lorentz)的电子论，测得光谱的 波长，谱线的增宽及外加磁场强度，即可称得离子的荷 质比。
拉曼效应的应用
1908年美国天文学家海尔等人在 威尔逊山天文台利用塞曼效应， 首次测量到了太阳黑子的磁场。
应用正常塞曼效应测量谱线分 裂的频率间隔可以测出电子的 荷质比，与约瑟夫汤姆逊在阴 极射线偏转实验中测得的电子 荷质比数量级是相同的，证实 了电子的存在。
1.2
实验目的
1、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， 2、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。
2. 观察塞曼分裂的方法
塞曼分裂的波长差很小
Hg 5461 Å谱线为例当处于B=1T的磁场中
法布里—珀罗空腔谐振器
R为反射率，R一般在90%。使用标准具时光近 似正入射。
例如：
d=5mm，R=90%，λ=546.1nm，Δλ=0.001nm
波长差
DK 、DK-1分别为相邻两级K和(K-1)级圆环的直径
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。
ΔM= +1为左旋圆偏振光, 磁场指向观察者时：⊙ ΔM= -1为右旋圆偏振光
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
当外磁场比原子内部磁场强得多时（原子内部磁场 的数量级为几十特斯拉），原子轨道磁矩和自旋磁 矩分别与磁场的相互作用能明显地超过了轨道── 自旋相互作用能，可认为轨道一自旋耦合破坏，（ 即LS耦合破坏）。在强磁场下，原子受磁场作用的 附加能量为
λa，λb波长的第K级干涉圆环直径分别为 Da和Db
——实验仪器与内容
2.1 实验仪器：
实验仪器与内容 2
电磁铁 毫特斯拉计 汞灯 滤光片 法布里-珀罗标准具（5mm） 偏振片 l/4波晶片 透镜 望远镜
实验仪器
电源用交流220V通过 自耦变压器接到霓虹灯 变压器上，由霓虹灯变 压器点燃就电管。自耦 变压器用来调节放电管 的电流强度。
鼠标点击红色电源开关， 打开或关闭电源。
毫特斯拉计仿真仪器
特斯拉计用来测量电 磁铁的磁场强度。实 验中的磁场可能超过 1T，通常放置到 “2500”档。测量时 先将探测笔与特斯基 连接，放置到磁铁中 央后选择合适的测量 档进行测量。
实 验 原 理 1.2
1. 谱线在磁场中的能级分裂
谱线在磁场中的能级分裂，是与外磁场和原子间的 相互作用密切相关的。在研究外磁场和原子的相互作用 时，原子的磁矩是一个重要的物理量。原子中的电子具
有轨道磁矩、自旋磁矩，原子核磁矩，它们的表达 式具有
h为普朗克常数，e为电子电荷，m为质量
的倍数的形式。 由于质子的质量大于电子质量的1836倍， 因此核磁矩比电子磁矩要小三个数量级，所以计算原子 总磁矩时核磁矩可暂不考虑。
主要 内容
1 实验背景与原理 2 实验仪器与内容 3 实验总结、探讨与应用
——实验背景与原理
实 验 背 景 1.1
Zeeman（1865-1943）
请Hale Waihona Puke 这里输入论文答辩荷兰物理学家塞曼 (Zeeman)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
几个月后，J、J汤姆逊正是借助于塞曼效应由洛仑 兹理论算得的荷质比，与他自己所测得的阴极射线的 荷质比进行比较具有相同的数量级，从而得到确实的 证据，证明电子的存在。塞曼效应被誉为继X射线之 后物理学最重要的发现之一。1902年，塞曼与洛仑兹 因这一发现共同获得了诺贝尔物理学奖（以表彰他们 研究磁场对光的效应所作的特殊贡献）。至今，塞曼 效应依然是研究原子内部能级结构的重要方法。
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 耦合模型。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 轨道与自旋角动量的耦合作用弱，实际遇到的 大多数情况是属于LS耦合。
原子中的轨道磁矩 和自旋磁矩合成为 原子的总磁矩μ在 磁感应强度为E的 磁场中，受到力矩 L的作用而绕磁场 方向旋进，即总角 动量PJ也绕磁场方 向旋进，
在LS耦合下：
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 间隔正比于磁场B和朗德因子g
塞曼分裂谱线与原谱线关系：
在磁场中，若上下能级都发生分裂，新谱线的频率u’与能级关系是
分裂后谱线与原谱线频率差 波数差
1.2
定义L 为洛仑兹单位
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。