近代物理实验3-5塞曼效应
塞曼效应物理实验报告
塞曼效应物理实验报告引言塞曼效应是指在外磁场存在时，原子或分子谱线发生的能级分裂现象。
它是经典电动力学和量子力学相结合的重要现象，对于理解物质的微观结构和性质具有重要意义。
本实验旨在通过观察氢原子光谱的塞曼效应，验证量子力学理论，并通过实验测定氢原子的g因子。
实验原理当外磁场B存在时，原子或分子的能级会发生塞曼分裂。
设原子核的自旋和电子的轨道角动量平行，则能级分裂的数量为2J+1，其中J表示总角动量。
能级分裂的能量差为ΔE= gμBm B，其中m表示角动量z方向的投影，B为外磁场强度。
对于氢原子来说，g因子g=2，μB为玻尔磁子。
所以，当外磁场B存在时，氢原子谱线会发生分裂，其中一条谱线的波长为λ'=λ+Δλ，另一条谱线的波长为λ''=λ-Δλ，其中λ是无外磁场时的波长，Δλ=(gμB/λ)B。
实验装置- 氢原子气体灯管- 磁铁- 光栅- CCD相机- 电源、电流表等其他实验用具实验步骤1. 将磁铁放置在氢原子气体灯管周围，调整磁场强度B，并确定方向。
2. 开启氢原子气体灯管，使其发出光线。
3. 将氢原子光线通过光栅，使其分散成光谱。
4. 通过CCD相机记录光谱图像。
5. 分析光谱图像，测量不同塞曼分裂的波长差。
数据处理与分析我们测量和记录了不同磁场强度下的氢原子光谱图像，并通过图像处理软件提取出塞曼分裂的主要峰的位置。
然后，通过测量两个峰的波长差Δλ，可以计算出塞曼分裂的能量差ΔE。
为了验证实验结果的准确性，我们对每个磁场强度下的ΔE进行了多次测量，并计算均值和标准差。
通过测量得到的数据，我们绘制了氢原子的塞曼分裂能级示意图，其中能级分裂的数量符合量子力学的预测。
我们还通过线性回归，求得氢原子的g因子，并与理论值进行对比。
结论通过实验观察到氢原子谱线的塞曼效应，验证了量子力学理论的正确性。
实验测得的氢原子的g因子结果与理论值吻合较好，证明了实验的可靠性和准确性。
此外，实验结果还进一步加深了对于塞曼效应和量子力学的理解。
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。
塞曼效应实验
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：班级 姓名： 同组者： 教师：塞曼效应实验【实验目的】1、观测塞曼效应，把实验结果与理论结果进行比较。
2、学习测量塞曼效应的实验方法。
3、测量在磁场中谱线裂距并计算荷质比。
【实验原理】1、谱线在磁场中的塞曼分裂原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩。
总磁矩在磁场中将受到力矩的作用而绕磁场方向旋进。
旋进所引起的附加能量为 B Mg E B μ=∆ （3-3-1）)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g （3-3-2） 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。
对于LS耦合，当J 一定时，磁量子数M 只能取J ，J-1，J-2，…，-J ，共（2J+1）个值。
所以，无磁场时的一个能级，在外磁场的作用下将分裂成（2J+1）个等间隔的子能级，能级间距为B g B μ。
无外磁场时，能级E 1和E 2之间的跃迁产生频率为ν的光，即12E E h -=ν。
而在磁场中，能级E 1和E 2都发生分裂，一条光谱线将变为几条光谱线。
如果是分裂为三条，称为正常塞曼效应，多于三条的称为反常塞曼效应。
新谱线的频率ν´与能级的关系为()()()B g M g M h E E E E h B 11221122μν∆∆ν-+=+-+=' (3-3-3)分裂后谱线与原谱线的频率差为()h B g M g M B 1122μννν∆-=-'= （3-3-4） 代入波尔磁子m 4he B πμ=得到 ()m4eB g M g M 1122πν∆-= （3-3-5） 若用波数表示，则 ()mceB g M g M πν41122-=∆ （3-3-6） 引入洛伦兹单位11T m 7.46B mc4eB L --⋅⨯==π，则()L g M g M 1122-=ν∆（3-3-7）2、观测塞曼分裂的方法塞曼分裂的波长差很小，一般的摄谱仪器是无法分辨的，必须采用分辨率较高的干涉型谱仪，如迈克尔迅干涉仪、法布里一波罗（Fabry —Perot ）标准具等。
赛曼效应实验报告 华科大近代物理实验
K级中心圆直径
243.82
K-1级外侧圆直径
336.67
电子荷质比
实验测量误差
11.33%
六、实验分析
由于这个实验的误差很大，即使多次测量求平均值也没有太大的意义。我们来分析一下，这个实验的误差来源。
首先，用特斯计测量磁场B的大小。把特斯计放在不同的位置，读数差异比较大，同一地方测量显示器的读数浮动也比较大，这给磁场的精确测量带来了困难。并且还不知道特斯拉计的精度。
正常塞曼效应：若一条谱线成三条、裂距按波烽正好等于一个洛仑兹单位（ ）的现象
反常塞曼效应：若分裂成更多条且裂距大于或小于一个洛仑兹单位的现象
b．原子总磁矩与总角动量的关系
原子中的电子由于作轨道运动而产生轨道磁矩，由于自旋而产生自旋磁矩，电子的轨道磁矩 和轨道角却 及自旋磁矩 和自旋角动量 的关系如下：
第二，在测量圆的大小时，不再望远镜去读取，这给实验也带来了方便，并且还减小了误差。
第三，测量出数据后，由电脑直接计算出结果，这大大减轻了我们学生数据处理的压力，同时也避免了很多计算上的错误。设计很人取无关，这也极大提高了实验效率。
其次，在观察图像时要求内外分出的第四环逐渐接近直至碰到。但是是分出的最外环的亮度很低，这给肉眼分辨带来了困难，这会造成比较大的误差。
还有，在标出实验要求选取的那几个圆时，人为的操作也会带来比较大的误差。
下面谈谈这台实验仪器的优点
第一，在测量磁场B的大小时，不用像讲义上说的那样从I-B曲线去找相对应的B值，这给实验带来了极大的方便，并且精确也会有部分提高。
塞曼效应
December 29
2010
塞曼效应
一、实验目的
1、学习观察塞效应的方法，用Fabry-Perot标具观察Hg的546.1nm谱线的塞曼分裂谱
近代物理实验报告—塞曼效应
塞曼效应【摘要】本实验主要运用光栅摄谱仪拍摄Hg 在磁场中与无磁场中的谱线，了解Hg 谱线的分裂情况。
并利用Fe 做比较光谱，用阿贝比长仪测量并计算Hg 的各个分裂谱线波长，与理论结果进行比较。
【关键词】塞曼效应、光栅摄谱仪、能级分裂、选择定则 一、引言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映角动量耦合作用的朗得因子 等原子结构信息有重要的作用，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、实验原理按照原子的半经典模型，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 ∆，原子的磁矩J μ与总角动量J P 的关系为：2μ=J J egP m（1） 其中g 为朗德因子，与原子中所有电子的轨道和自旋角动量如何耦合成整个原子态的角动量有关。
所以有：cos cos 2μαα∆=-=-J J eE B gP B m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,,2απ-==-- J hP MM J J J 式中h 是普朗克常量，J 是电子的总角动量，M 是磁量子数。
4μπ=B hem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：00μ=+∆=+B E E E E Mg B （2）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μL 、L P 、L 和μS 、S P 、S ，它们的关系为2μ==L L e P m ，μ==S S e P m 。
实验报告之塞曼效应
近代物理实验报告（四）————塞曼效应实验小组：实验班级:指导老师：日期：2011-12-10一、实验目的：1)了解并掌握塞曼效应原理；2)了解本实验的基本操作；3)利用高分辨光谱仪器法布里—珀罗（Fabry—Perot）标准具研究汞546.1nm光谱线的塞曼（Zeeman）效应，并测量塞曼分裂的波长差；二、实验原理：由量子的物理基本知识，我们知道原子能级之间如果受到外磁场作用下，会使得两个能级获得一个外加能量，这两个能级会各分裂成两个子能级，这样上下两个能级之间的跃迁会产生若干条谱线。
如果没有磁场，则原子能级之间不会产生分裂。
本实验使用的是汞光灯，在外加强磁场的作用下，使得汞光灯所发出的光子能级发生分裂。
再经过放大透镜、法布里帕罗标准具、会聚透镜、CCD相机所组成的成像系统在软件内生成一个类似于牛顿环的干涉图像。
通过观察所生成的图像，理解塞曼效应，通过计算机所携带的分析软件，可以计算出原子能级分裂后所产生光谱图像的各个半径大小，从而计算出塞曼分裂的波长差。
三、光电检测技术在本实验的应用：①．法布里帕罗标准具使得光产生干涉现象；②．强磁场使得原子能级发生分裂，经过光子跃迁辐射出电磁波；四、实验过程、现象、数据：NO.1实验过程：①．将放大透镜、法布里帕罗标准具、会聚透镜、CCD像机放在同一高度，使得各仪器在同一轴线上（由于本次实验中我们的笔型汞光灯损坏，所以我们拿来了光道分析所用的汞光灯，并使得该汞光灯也与其它仪器同轴同高度，中心在一条直线上）；②．开启计算机，打开该实验软件，开启汞光灯，调节CCD像机并且调节法布里帕罗标准具的厚度（就是调节标准具上3个旋钮使上下移动），并观察显示器上出现的干涉；③．由于本实验汞光灯的损坏，所以我们组无法在汞光灯外围加上磁场，所以无法观察到塞曼效应所产生的干涉图样的变化。
NO、2实验现象及数据：批注：由于本实验汞光灯的损坏，我们只能观察到无磁场状态下的干涉图样，如右图所示：对实验现象，我们的结论和认识：假如汞光灯周围加有强磁场，我们会发现原来的单个光环会分裂为若干个子光环，这便是由于强磁场使的能级分裂所产生的光谱。
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(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
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塞曼效应
方啸
（南开大学物理科学学院，天津 300071）
【摘要】本文介绍了塞曼效应的基本原理，并阐述了如何使用法布里－玻罗标准具观察塞曼效应。
之后整理通过设计实验和分析数据测量了汞灯546.1nm 谱线塞曼分裂的波长差，并估计了电子的荷质比。
【关键字】塞曼效应 光谱 磁场 标准具
1. 引言
塞曼效应(Zeeman effect)是1896年由荷兰物理学家塞曼(Pieter Zeeman, 1865-1943)发现的。
他发现，原子光谱线在外磁场中发生了分裂。
随后洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz, 1853-1928)在理论上解释了谱线分裂成3条的原因。
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。
利用塞曼效应可以用来测量天体的磁场。
光源置于强磁场中，原来的一条谱线分裂成几条光谱线，分裂的谱线成分是偏振的，这一发现称为塞曼效应。
塞曼效应的实质是能级分裂，这是电子轨道磁矩与自旋磁矩相互作用的结果。
2. 实验原理
（一）谱线在磁场中的分裂
根据量子理论，当光源处于磁场中，能级要发生分裂，其附加能量为
(1)
其中为磁量子数，是朗德因子，为玻尔磁子，满足
(2)
当光源未受磁场作用时，设电子由2E 能级向1E 能级跃迁，产生频率为的谱线，满足
(3)
当光源受磁场作用，能级发生分裂，上下能级分别表示为、；它们之间的跃迁产生频率为的新谱线，有
(4)
得到波数差为
(5)
其中为洛伦兹单位，满足
(6)
即有
(7)
下面研究汞546.1nm的塞曼分裂，即的跃迁；可以计算得到、的值，根据选择定则，；有9条谱线满足此条件，如图1所示。
图1 Hg原子能级的塞曼分裂
（二）用标准具测量波数差
塞曼效应造成的光谱分裂很小，难用常规光谱仪来观测塞曼效应，通常先用常规光谱仪分出一条光谱后，再用标准具进一步分光。
本实验先用滤光片分出546.1nm光，再由法布里-珀罗标准具（见图2）完成分光；
图2 法布里-珀罗标准具
干涉级与干涉环直径的平方成线性关系：
(8)
同一级不同波长的波长差为
(9)
用中心干涉环的干涉级来代替被测干涉环的干涉级，代入上式，得到实验计算波数差的公式：
(10)
其中和满足：
(11)
(12)
3.实验装置
磁场(7600高斯)、WRJ-40型晶体管直流稳压电源、汞辉光放电管、霓虹灯变压器、FPB-1型法布里-珀罗标准具、投射干涉滤光片、偏振片、透镜、测微目镜。
实验装置如图3所示。
其中：
1：磁场；2：激磁电源；O：汞灯；L1、L2：透镜；F-P：标准具；M：读数显微镜；P：偏振片；F：滤光片
图3 实验装置图
4.实验内容
（一）调整光路，观察塞曼效应
点亮汞灯，把透镜置于适当位置，使光充满标准具；
调节标准具，眼睛上、下、左、右移动，若看到干涉环缩冒的现象，则调节
标准具的三个调节旋钮；
在标准具后安置透镜和目镜，保证光学系统共轴，调节位置以看清各干涉环；
开启稳压电源，看到分裂的干涉环。
本实验，只测量π成分。
（二）测量并计算波长差
(13) （三）测量并计算荷质比
对于正常塞曼效应，分裂谱线的波数差为
(14)
荷质比为
(15)
5.数据处理
仪器参数：F-P标准具：d=0.20cm B=0.6~1.0T
测得干涉条纹位置的原始数据见表1。
表1
表2
表3
最后求得荷质比：。
6.思考
1.仪器的自由光谱范围和仪器分辨率由什么决定？它们之间又有什么了解？
答：
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一组同心圆环——等倾干涉圈。
由于F-P标准具的间距d比波长大得多，故中心亮斑的级次很高。
设中心亮斑的级次为k，则第一个圆环的级次为k-1，第二个圆环的级次为k-2，依此类推。
考虑同一光源发出的两束具有微小波长差的单色光λ1和λ2(设λ1<λ2)入射的情况，它们将分别形成一套圆环花纹(对同干涉级，波长大的干涉环直径小)。
由于在F-P标准具中，大多数情况下有cosθ≈1，根据前面分析，在加了磁场后其相邻谱线的波数差为L/2，由于每个级次都分裂为9条谱线，则每个级次的谱线范围为4L。
我们使用的标准具的t=2mm,因而可以算出B的值，只有B小于此值时，才能清晰地分辨每个级次，所以自由光谱范围由B决定。
仪器的分辨率是由仪器的卡尺分辨率以及放大倍数决定的。
只有当仪器工作在自由光谱范围内时，仪器的分辨率才能达到最佳的发挥。
【参考文献】
1.高立模. "近代物理实验", 南开大学出版社. 2006
Zeeman Effect
Fang Xiao
(Institute of Physics, Nankai University, Tianjin 300071, China)
Abstract:The fundamental principles of Zeeman effect are introduced and the methods of observing the effect using a Fabry–Pérot etalon are elaborated. Then experiments are designed and executed to gain the wavelength difference between the split spectral lines of 546.1nm emitted by a mercury lamp, after which the charge-mass ratio of the electron is estimated.
Key: Zeeman effect; spectrum; magnetic field; etalon。