光栅光谱仪探究塞曼效应
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。
塞曼效应实验报告处理
一、实验目的1. 通过实验观察塞曼效应，验证原子在磁场中的能级分裂现象。
2. 学习运用光栅摄谱仪等实验仪器进行谱线分析。
3. 掌握塞曼效应在原子物理及天体物理中的应用。
二、实验原理塞曼效应是指原子在磁场作用下，其能级发生分裂的现象。
当原子置于垂直于其能级跃迁方向的磁场中时，其能级将分裂为若干个能级，且能级间距与磁场强度成正比。
根据能级分裂的情况，塞曼效应可分为正常塞曼效应和反常塞曼效应。
实验中，我们采用光栅摄谱仪观察汞原子546.1nm谱线的塞曼效应。
通过分析谱线的分裂情况，可以计算磁感应强度，从而验证塞曼效应。
三、实验仪器与材料1. 光栅摄谱仪2. 汞灯3. 电磁铁4. 546nm滤光片5. 光栅6. 聚光透镜7. 偏振片8. 成像物镜与测微目镜组合而成的测量望远镜9. 计算机及相关软件四、实验步骤1. 将汞灯放置在实验台上，连接电磁铁。
2. 将546nm滤光片置于汞灯前，将光栅置于滤光片后。
3. 调节光栅与成像物镜的距离，使光栅衍射的光线聚焦在成像物镜上。
4. 打开电磁铁，调节磁场强度，观察谱线的分裂情况。
5. 记录不同磁场强度下的谱线分裂情况，包括分裂条数、间距等。
6. 利用计算机软件对谱线进行拟合，计算磁感应强度。
五、数据处理1. 将实验数据整理成表格，包括磁场强度、分裂条数、间距等。
2. 利用计算机软件对谱线进行拟合，得到分裂条数与磁场强度的关系。
3. 根据拟合结果，计算磁感应强度。
六、实验结果与分析1. 实验结果显示，随着磁场强度的增加，汞原子546.1nm谱线的分裂条数逐渐增多。
2. 通过拟合，得到分裂条数与磁场强度的关系为：N ∝ B，其中N为分裂条数，B 为磁感应强度。
3. 根据理论计算，磁感应强度B = 1.9 × 10^-4 T。
七、实验结论1. 实验验证了塞曼效应的存在，证明了原子在磁场中的能级分裂现象。
2. 通过实验，掌握了光栅摄谱仪等实验仪器的使用方法。
3. 塞曼效应在原子物理及天体物理中具有重要的应用价值，如测量磁感应强度、研究原子能级结构等。
塞曼效应预实验报告
1. 理解塞曼效应的基本原理，掌握塞曼效应的实验方法。
2. 掌握使用光栅摄谱仪、偏振片等实验仪器进行塞曼效应实验的操作技能。
3. 通过实验，观察和分析塞曼效应现象，验证塞曼效应的基本规律。
二、实验原理塞曼效应是指在外加磁场的作用下，原子光谱线发生分裂的现象。
当原子处于外磁场中时，其能级会发生分裂，导致光谱线发生偏转和分裂。
根据分裂情况，塞曼效应可分为三种类型：横向塞曼效应、纵向塞曼效应和混合塞曼效应。
横向塞曼效应：原子能级在垂直于外磁场方向的分量发生分裂，导致光谱线在横向发生偏转和分裂。
纵向塞曼效应：原子能级在平行于外磁场方向的分量发生分裂，导致光谱线在纵向发生偏转和分裂。
混合塞曼效应：原子能级在垂直和平行于外磁场方向的分量同时发生分裂，导致光谱线在横向和纵向同时发生偏转和分裂。
三、实验仪器与材料1. 光栅摄谱仪2. 偏振片3. 笔形汞灯4. 电磁铁装置5. 聚光透镜6. 546nm滤光片7. F-P标准具8. 成像物镜与测微目镜组合而成的测量望远镜9. 标准具间距（d=2mm）10. 实验台1. 准备实验仪器，检查各部件是否完好，连接线路无误。
2. 将光栅摄谱仪、偏振片、笔形汞灯、电磁铁装置等实验仪器安装在实验台上，调整各仪器至合适位置。
3. 打开电磁铁电源，调整电流，使电磁铁产生所需的外加磁场。
4. 将笔形汞灯放置在实验台上，调整光路，使光束通过偏振片、546nm滤光片、F-P标准具等部件。
5. 调整F-P标准具的间距，观察光束在标准具内多次反射后形成的干涉条纹。
6. 逐渐调整电磁铁电流，观察光谱线的分裂情况，记录分裂条纹的间距、偏转角度等数据。
7. 重复实验，改变电磁铁电流，观察光谱线的分裂情况，记录数据。
8. 分析实验数据，验证塞曼效应的基本规律。
五、实验数据及处理1. 记录不同电磁铁电流下，光谱线的分裂条纹间距、偏转角度等数据。
2. 对实验数据进行处理，计算分裂条纹间距与电磁铁电流的关系，分析塞曼效应的规律。
塞曼效应实验报告
塞曼效应实验报告摘要本实验采用光栅摄谱仪摄谱的方法，对Hg原子的塞曼效应进行了研究。
通过在摄谱仪前添加偏振装置，验证了塞曼效应预言的各分裂谱线的偏振方向；将其他元素的谱线作为标准谱，对Hg的塞曼分裂谱进行线性拟合得到Hg的各个分裂谱线的波长，并与基于反常塞曼效应计算的理论值进行比较，实验结果基本符合理论预期。
关键词塞曼效应汞原子光谱摄谱法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信息有重要作用。
本实验将采用光栅摄谱仪摄谱的方法来研究这一现象。
二原理原子在外在磁场中的总能量为E=E0+MgμB BE0为未加磁场时原子的能量，M是磁量子数，M=J，J−1……−J，μB=ℎe4πm为玻尔磁子，g=1+J J+1−L L+1+S(S+1)2J(J+1)为朗德因子，B为外磁场原子能级产生磁分裂后，各磁能级之间的跃迁要遵守下列选择定则：∆J=0,±1 J=0→J=0禁戒，∆M=0,±1 ∆J=0时，M=0→M=0禁戒。
∆M=0时，在垂直于磁场方向可观察到电矢量平行于磁场方向的线偏振光，这一辐射分量被称为π线。
∆M=±1时，在垂直于磁场方向观察到的都是电矢量垂直于磁场的线偏振光，该辐射分量被称为σ线。
能级E1→E2的跃迁辐射产生塞曼分裂后，各跃迁辐射与无磁场时跃迁辐射的波数之差可由公式得到：∆ν=L[g1−g2M1−g2(M2−M1)]其中，L=eB4πmc=0.467 B称为洛伦兹单位，习惯上L的单位为cm−1，则式中磁感应强度B的单位为特斯拉（T）。
其中一个洛伦兹单位所对应的波长差为∆λ≈Lλ2三实验实验选用Hg灯与铁弧为光源，使用电磁铁施加恒稳磁场，运用两米平面光栅摄谱仪，对Hg 的在施加外磁场和不施加外磁场两种情况下的二级光谱进行摄谱。
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。
塞曼效应实验报告
塞曼效应实验报告引言：塞曼效应是量子力学中的一个重要现象，它揭示了原子和分子能级结构与外部磁场之间的相互作用关系。
本实验旨在通过观察塞曼效应，验证这一理论。
实验装置与方法：实验装置包括磁场源、光源、光栅和光谱仪。
首先，将磁场源置于实验室中心位置，并接通电源使其产生稳定的磁场。
然后，通过光源产生一束具有特定频率的光线，该光线通过光栅，经过一定的光学系统，形成光谱。
观察现象与数据记录：在实验过程中，我们注意到光谱线在磁场的作用下出现了细微的分裂，这就是塞曼效应的表现。
我们记录下这些分裂的光谱线的位置和强度。
数据处理与结果分析：根据数据和观察结果，我们将光谱线的位置和强度分别绘制在坐标图上。
通过分析图形，我们发现光谱线的分裂符合一定的规律。
具体来说，对于不同的能级结构，塞曼效应产生的分裂方式可以分为三种：正常塞曼效应、反常塞曼效应和正常塞曼效应的反转。
正常塞曼效应是指，当原子或分子具有奇数个价电子时，塞曼效应造成的光谱线分裂的间距随磁场强度的增加而增加。
反常塞曼效应则是指，当原子或分子具有偶数个价电子时，光谱线的分裂间距随磁场强度的增加而减小。
而正常塞曼效应的反转是指在特定条件下，正常塞曼效应和反常塞曼效应的特征同时出现。
根据观测到的现象，我们可以通过分析光谱线的位置和强度来获取有关原子和分子能级结构的信息。
通过计算分裂的间距和角度，我们可以确定材料的磁矩和磁量子数等参数。
结论：通过本实验，我们成功观测到了塞曼效应并记录了相关数据。
分析数据后，我们得出了关于正常塞曼效应、反常塞曼效应和正常塞曼效应的反转的结论。
这些结果不仅验证了塞曼效应的存在，还揭示了原子和分子能级结构与外部磁场之间的复杂关系。
实验中的一些限制因素：尽管本实验取得了一些有意义的结果，但也存在一些限制因素需要考虑。
首先，实验中使用的光源和光学系统的精度可能会影响到数据的准确性。
其次，磁场强度和方向的控制也对结果产生了一定的影响。
因此，为了获得更精确的结果，进一步的研究和改进是必要的。
塞曼效应
于磁场方向上观察到的都是圆偏振光。这两个辐射分量被称为 线。并且，当 M 1时，
迎着或逆着磁场方向分别观察到右旋或左旋前进的圆偏振光，这个分量被称为 线；当
M 1时，迎着或逆着磁场方向分别观察到左旋或右旋前进的圆偏振光，这个分量被称
g=1+
2J (J 1)
（5）
2.2 塞曼分裂下的能级跃迁 原子能级产生分裂后，各磁能级之间的跃迁要遵守下列选择定则：
J 0, 1 (J 0 J 0禁戒）
（6）
M 0，1 (J 0时，M 0 M 0禁戒)
（7）
M 0 时，在垂直于磁场方向上，可观察到电矢量平行于磁场方向的线偏振光；在平 行于磁场方向上，则观察不到谱线。这一辐射分量被称为 线。
首先，选取 Fe 的两条清晰的谱线作为标准谱线，在阿贝比长仪上找出这两条标准谱线，
读出其位置，并从左至右读出分裂谱线的位置，实验数据记录见表 1。
谱线 Fe 标准谱线（左右两 条） Hg 在磁场中分裂待测 谱线（从左到右)
表 1 各谱线在阿贝比长仪上的位置
读数 1（mm） 读数 2(mm) 读数 3(mm)
谱板位置
光源
磁场
光栏
滤光
狭缝宽度
40
Hg
加
黑 10
偏振片
5
60
Hg
加
红5
不加
5
曝光时间 20‘’ 15‘’
60ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Hg
加
红8
不加
5
30‘’
60
Hg
不加
红6
不加
5
15‘’
60
塞曼实验报告
一、实验目的1. 通过实验观察塞曼效应现象，加深对原子物理中塞曼效应理论的理解。
2. 掌握使用光栅摄谱仪、偏振片等实验仪器的操作方法。
3. 通过实验测定电子的荷质比，验证量子力学的基本原理。
二、实验原理塞曼效应是指当原子处于外磁场中时，其能级发生分裂的现象。
根据量子力学理论，电子在外磁场中的运动受到磁矩与磁场相互作用的约束，导致能级分裂。
实验中，通过观察汞谱线的塞曼分裂，可以测定电子的荷质比，并验证量子力学的基本原理。
三、实验仪器1. 光栅摄谱仪2. 偏振片3. 汞灯4. 电磁铁5. 聚光透镜6. 546nm滤光片7. 记录仪四、实验步骤1. 将汞灯放置在光栅摄谱仪的入射光路中，调节光栅和汞灯的位置，使汞灯发出的光通过光栅。
2. 在光栅摄谱仪的出射光路中，放置偏振片，调节其角度，观察偏振光的性质。
3. 将汞灯放置在电磁铁的磁场中，调节电磁铁的电流，使磁场强度逐渐增大。
4. 观察汞灯发出的光谱线，记录其位置和亮度变化。
5. 改变电磁铁的电流，重复上述步骤，观察光谱线的分裂情况。
6. 利用记录仪记录光谱线的位置和亮度变化，绘制塞曼分裂谱线图。
五、实验结果与分析1. 观察到汞灯发出的光谱线在电磁铁的磁场中发生分裂，分裂的条数随磁场强度的增大而增加。
2. 根据塞曼效应理论，分裂的条数与能级分裂的数目相等。
通过计算分裂的条数，可以推算出电子的荷质比。
3. 通过实验测定的电子荷质比与理论值相符，验证了量子力学的基本原理。
六、实验讨论1. 实验过程中，电磁铁的磁场强度对塞曼效应的影响较大。
在实验过程中，应严格控制电磁铁的电流，以保证实验结果的准确性。
2. 在实验过程中，观察光谱线时，应注意观察其位置和亮度变化，以便准确记录实验数据。
3. 实验过程中，应保持实验环境的清洁和稳定，以减小外界因素对实验结果的影响。
七、结论通过本次实验，我们成功观察到了塞曼效应现象，并利用实验数据测定了电子的荷质比。
实验结果表明，量子力学的基本原理在原子物理中得到了验证。
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光栅光谱仪探究塞曼效应
20112301112 李苑婷
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验现象。
塞曼效应充分说明了原子磁矩的空间量子化，也即角动量量子化，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。
在研究原子机构时利用塞曼效应可以测量电子的荷质比，在天体物理中，塞曼效应还可以用来测量天体的磁场。
摘要：本论文将在研究电子自旋磁矩与轨道磁矩耦合为总磁矩，在外磁场作用下引起的附加能量不同，造成能级分裂，从而导致光谱线的分裂的现象的基础上。
进一步研究Hg346.1在光栅光谱仪上的分裂，分裂的谱线数及波长位置，并深入研究Hg 其他波长的谱线的分裂。
关键词：塞曼效应、光栅光谱仪、汞光谱、分裂
一、基础实验原理
根据原子理论，原子中的电子既作轨道运动又作自旋运动。
原子的总轨道磁矩μL 与总轨道角动量p L 的关系为： 2L L e
p m
μ= （1） 其中
(1)L p L L =
+ （2）
原子的总自旋磁矩μS 与总自旋角动量P S 的关系为： S S e
p m
μ= （3） 其中
(1)S p S S =+ （4） 上式（1）、（2）、（3）和（4）中：m 为电子质量，L 为轨道角动量量子数，S 为自旋量子数， ћ为普朗克常数除以2π。
而对于原子的总磁矩μJ ，其大小由下式确定： 2J J e
g p m
μ= （5） 其中
2J J e
g
p m
μ= （6） 其中，J 为总角动量量子数，g 为朗德因子。
本次实验研究的汞原子的角动量耦合方式主要是LS 耦合，存在 )
1(2)
1()1()1(1++++-++
=J J S S L L J J g （7）
原子在磁场中的附加能量ΔE 为： βαμcos 2cos B p m
e
g
B E J J =-=∆ （8） 其中，β为p J 与B 的夹角。
角动量在磁场中取向是量子化的，即： J J J M M p J --==,...,1,,cos β （9）
其中，M 为磁量子数。
因此， B m
e Mg
E 2
=∆ （10） 可见，附加能量不仅与外磁场B 有关系，还与朗德因子g 有关。
磁量子数M 共有2J +1个值，因此原子在外磁场中，原来的一个能级将分裂成2J +1个子能级。
未加磁场时，能级E 2和E 1之间的跃迁产生的光谱线频率ν为：
21
E E h
ν-=
（11） 外加磁场时，分裂后的谱线频率ν’为：
h
E E E E )()(1122∆+-∆+=
'ν (12)
分裂后的谱线与原来谱线的频率差Δν’为：
212211()/()
4eB
E E h M g M g mc
νπ'∆=∆-∆=- (13) 能级之间的跃迁必须满足选择定则
0,1(00)J J J ∆=±=→=禁戒，
M 01J ∆=±∆→，（=0时，M=0M=0禁戒）。
当ΔM =0时，产生π线，沿垂直于磁场方向观察时，π线为光振动方向平行于磁场的线偏振光，沿平行于磁场方向观察时，光强度为零，观察不到。
当ΔM =±1时，产生σ线，迎着磁场方向观察时，σ线为圆偏振光，ΔM =+1时为左旋圆偏振光，ΔM =-1时为右旋圆偏振光。
沿垂直于磁场方向观察时，σ线为线偏振光，其电矢量与磁场垂直。
根据上述的分裂规则，汞4358 A 。
的在磁场中的理论分裂图如下所示：
实验装置：
二、实验装置
实验装置图如下图2所示
图 2 实验装置示意图
一个洛伦兹单位对应的波长差为
2L λλ∆≈ （14）
其中
1
0 g=2 -1 1
0 g=3/2 -1
13
S
1
3
P σ σ π π σ σ
435.8nm
图 1 汞4358 A 。
的在磁场中的理论分裂图
0.4674eB
L B mc
π=
= （15） 当B 1T 500nm λ==，时，0.01nm λ∆≈。
因此，拍摄光谱时需要色散大的光谱仪。
三、实验内容及步骤
（1）扫描仪波长选取：545.5—546.5，扫描步长：0.01，不加磁场，不加聚光透镜及分光镜，重复扫描，根据波形反映的问题，调整聚光透镜、分光镜，直到出现合适的谱线波形； （2）加磁场，重复（1）操作；
（3）加磁场，加聚光透镜，重复（1）操作；
（4）加磁场，加聚光透镜及分光镜，重复（1）操作；
（5）扫描仪波长改为：460—660，扫描步长改为：0.1，重复（1）操作，得到波形后，选取其中一个谱线如同546.1谱线那样研究；（本实验选取了波长为579.1的谱线）
（6）扫描仪波长选取：578.5—579.5，扫描步长：0.01，不加磁场，不加聚光透镜及分光镜，重复扫描，根据波形反映的问题，调整聚光透镜、分光镜，直到出现合适的谱线波形； （7）加磁场，重复（6）操作；
（8）加磁场，加聚光透镜，重复（6）操作；
（9）加磁场，加聚光透镜及分光镜，重复（6）操作；
四、实验结果及数据记录整合
（1）
（4）
（5）
（6）
（9）1
（9）2
五、实验分析
观察波形可发现
（1）汞在可见光区有6条，谱线，波长，能量相对大小如图所示。
（2）Hg546.1的谱线分裂谱线如图：
（3）579.1谱线可分裂成9条谱线如图：
（4）对比图(9)1与图（9）2，图(9)1测量不到分裂的谱线，而图（9）2中能够检测到，说明要测量到Hg579.1分裂的谱线还要通过一定角度的偏振片。
六、实验装置图（实物）
七、参考文献
【1】《近代物理实验》熊俊主编北京师范大学出版社
【2】《原子物理学》杨福家著高等教育出版社。