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
表2 M
2
1
0
-1
-2
3S1M 2 g2
3 P2 M 1 g1
选择定则： (当ΔJ＝0时，ΔM被禁止) ,当 ΔM =0时，产
生的偏振光为π成分。垂直于磁场观察时(横 效应)，线偏振光的振动方向平行于磁场。 平行于磁场观察时，π成分不出现。
当 ΔM =±1时，产生线。沿垂直于磁场方 向观察时(横效应)， 线为振动方向垂直于 磁场的线振动光。沿磁场方向观察时， 线
B
与无磁场时的谱线相比，频率改变为
' (M 2 g2 M1g1 )eB /(4m)
用波数（~ ）差~ 来表示，则有
c
~ (M 2 g2 M1g1)eB /(4mc) (M 2 g2 M1g1)L
其中
L eB 4mc
称为洛仑兹单位。若B的单位用T（特斯拉）
则L的单位为 /cm
跃迁时M的选择定则与谱线的偏振情况如下：
为圆偏振光。
4.汞的546.074nm谱线的塞曼效应
汞的546.074nm谱线是 6S6S3S1 到 6S7P3P2 跃迁的结果。上 能级分裂为三个子能级，下能级分裂为五个能级，选择定 则允许的跃迁共有九种。因此，原来的 谱线将分裂成九条 谱线。分裂后的九条谱线是等距的，间距都为二分之一的 洛仑兹单位，九条谱线的光谱范围为4个洛仑兹单位。各线 段的长度表示谱线的相对强度。
4、偏振片——偏振片用于检出一定方向的线偏振光。
5、F-P标准具——塞曼分裂的波长差是很小的，这一 点可以通过自己估计其数量级来加以理解。因此一般 的光谱仪是难以观察到其分裂现象的。F-P标准具的分 辨率很高，而且构造简单。本实验用它来观察和测量 谱线的分裂。
F-P标准具 (1)F-P标准具的原理及性能
2h[1 1 D 2 ] N
8 f2
标准具测量波长差的公式：
2d[1
1 8
D2 f2
]
k
式中D表示圆环的直径，f 为透镜的焦距，d为法-泊板间的距离。
由上式可见，公式左边第二项的负号表明直径愈大的干涉环纹序 愈低。同理，对于同一级序的干涉环直径大的波长小。
对 方于差同用Δ一D波2表长示相，邻可级得项k和k-1圆环直径分别为Dk和Dk-1，其直径平
E J B cos
代入J 有：
E
g
e 2m
PJ
B cos
β是α的补角。
但J与 PJ在磁场中的取向是量子化的，PJ 在磁场方向的分量只
能取如下数值：
PJ cos Mh~
M是磁量子数，它只能取： M=J,J-1,。。。,-J+1,-J
共2J+1个值。每一个M值相当于PJ的一个可能的取向。由以上 两式得：
1895年前后，塞曼放下kell效应的研究，想试一 试磁场对钠焰的光谱有没有影响，却都没成功但他坚 持作了下去。
他根据法拉第的想法，用罗兰凹面光栅和强大的 电磁铁，发现钠黄线在磁场的作用下变宽，后来又观 察到镉兰线在磁场的作用下分裂成两根与三根；不久 洛仑兹根据经典电子论解释了分裂为三条的正常塞曼 效应。这一发现引起了很多物理学家开展广泛研究， 然而，大多数情况却与经典电子论的理论结果不符， 这叫反常塞曼效应。促使1921年朗德提出g因子概念， 1925年泡利提出不相容原理，同年乌伦贝克和哥德斯 密特提出电子自旋，从而推动量子理论的发展。
~
E
Mg
he 2m
B
Mg B
B
~
式中的
称为玻尔磁子
B
B
he 2m
பைடு நூலகம்
he
4m
这样,没有外磁场时的一个能级,在外磁场作用下将分裂成2J+1
个子能级。每个子能级的附加能量由上式决定,它正比于磁场
强度B和朗德因子g。
3.能级分裂下的跃迁 设某一谱线是由能级E2和E1间的跃迁产生的,则在该谱线的频率
与能级差有如下关系:
（4）打开励磁电源，加上磁场，可以看 到锐细干涉圆环变粗，仔细调节读数 显微镜位置，并慢慢增加磁场，可以 看到干涉圆环逐渐清晰，仔细观察可 以看出变粗的条纹是由九条细线组成；
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
2、汞光谱灯—本实验中用作光源，产生汞的谱线。注意光谱灯同时产 生较强紫外线。应避免直接观测光源。
3、电磁铁—磁场由电磁铁提供。调节激磁电源电流的大小可以获得不 同强度的磁场。电流值由直流电流表读出。
3、高斯计——系根据霍尔效应设计的一种测量磁场强 度的仪器。使用前请仔细阅读说明书。特别要保护探 头，因为霍尔片就在探头内，极易损坏。
C、励磁电源电流调节旋钮（顺时针增大）； D、磁感应强度显示调零旋钮； E、磁感应强度显示（单位：特斯拉）； F、电源开关（控制励磁电源和磁感应强度测量）； G、励磁电源正常工作指示灯； H、励磁电源电压调节旋钮（顺时针增大）； I、励磁电源非正常工作指示灯（指示励磁电源过热）； J、磁感应强度测量校正旋钮（出厂时已校正完成，勿轻易调节）； K、笔形汞灯电源开关（“按下去”为“接通电源”,此时汞灯发光）。
塞曼效应证实了原子具有磁距和空间量子化，至 今仍是研究能级结构的重要方法之一。
二、实验目的
1、观察汞的546.074nm谱线在磁场中分裂的 情况，加深对原子结构的认识；
2、测量上述谱线在磁场中分裂的裂距，求 出e/m值；
3、学习法布里——珀罗标准具的原理、调 节和使用。
三、实验原理
塞曼效应是由于电子的轨道磁矩与自旋磁矩共同 受外磁场的作用而产生的。
h E2 E1
在外磁场的作用下,上、下两能级分别分裂为2J2+1和2J1+1个 子能级,附加能量分别为ΔE2和ΔE1。则由能级间的跃迁而产生的 新谱线的频率 h满 足。
h (E2 E2 ) (E1 E1 ) (E2 E1 ) (E2 E1 )
~
h
(M 2 g2
M 1 g1 )
he 2m
➢ 塞曼研究磁场对光谱的作用，是受著名 英国物理学家法拉第的启示。
塞曼( Pieter Zeeman ) 1865～1943
诺贝尔物理学奖 (1902年)
1845年法拉第发现了平面偏振光通过在 强磁场作用下的玻璃偏振面会旋转的事实。 后来又发现，不只是玻璃，许多物质都具有 这一特性。法拉第认为：“磁力和光彼此是 有联系的。” 1875年，物理学家John kerr在法拉第思想的 激励下，注意到玻璃片在强电场下对光有双 折射作用，次年又发现平面偏振光经电磁铁 的磁极反射后，变成了椭圆偏振光。
△=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。
塞曼效应
学号 姓名
一、背景介绍 二、实验目的 三、实验原理 四、实验仪器 五、实验内容与步骤 六、注意事项 七、思考题
一、背景介绍
1896年开始，塞曼逐步发现，当光源放 在足够强的磁场中时，所发出的光谱线分裂 成若干条。条数随能级的类别而不同。而分 裂后的谱线成份是偏振的。这种现象称为塞 曼效应。