塞曼效应_预习报告

~ ~ ~ (M g M g ) 2 2 1 1
式中
e B 称为洛仑兹单位，以 L 表示。 4mc
跃迁时 M 的选择定则与谱线的偏振情况如下： 选择定则： M 0 （当 J 0 时， M 被禁止） ， M 1 当 M 0 时，产生的偏振光为 成份。垂至于磁场观察时（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， 成份不出现 当 M 1 时，产生的偏振光为 成份。垂至于磁场观察时，产生线偏振光，其振动方向垂至 于磁场。平行于磁场观察时（纵效应） ，产生圆偏振光。 M 1 ,偏振转向是沿磁场方向前
k 2， 示的干涉条纹为一圆环， 属于等倾干涉。 设中心亮环的干涉级次为 k ， 则向外依次为 k 1 ，
形成一系列向外的同心圆环。 当入射光波长发生微小的变化， 则产生各级干涉亮环套在各相应
级的亮环内外 对同一级次有微小波长差的不同波长 次 k 级和 (k 1) 级下有：
a ， b ， c 而言，如图 7 所示可以证明，在相邻干涉级
二、实验原理
在确认光路调整合适时（参见后面实验过程） ，在不加磁场、偏振片以及滤光片的情况下，通过 读数目镜可以明显看到一组由亮线和蓝色暗线交替组成的同心圆，加上 5461A 滤光片后，可以看 到一组（至少三个）清晰的亮环，原来的暗环加宽，颜色加深为黑色，显现亮环更加锐细、醒目。 接通磁场，可以发现锐细亮环逐渐变粗变模糊，随着磁场加大，并仔细调整目镜可以看到原来模 糊的环是由九个同心亮环组成， 这就是塞曼效应， 加上偏振片并转动其检偏方向， 可以观察到 分 支和 分支线 电子自旋和轨道运动使原子具有一定的磁矩。在外磁场中，原子磁矩与磁场相互作用，使原子系 统附加了磁作用能 E ， 又由于电子轨道和自旋的空间的量子化。 这种磁相互作用能只能取有限个 分立的值，此时原子系统的总能量为
E E 0 E E 0 Mg
式中
eh B 4m
E0 为未加磁场时的能量， M 为磁量子数， B 为外加磁场的磁感应强度，e 为电子电量，m
g 为朗德因子。朗德因子的
子数 S 和轨道量子数 L 有关，在 L S 耦合情况下
进的螺旋方向，磁场指向观察者时，为左旋圆偏振光； M 1 时，偏振方向是沿磁 场指向观察者时，为右旋圆偏振光，如图 5 所示
光源
π σ
横效应
σ σ+
纵效应
图
塞曼效应实验的观察
~ 光谱线的间线（上下能级自旋量子数 S 0 ，即单重态间的跃迁）在磁场作用下，把原波数为 ~ ~ ~ ~ ~ 的一条谱线分裂成波数为 ， ， 的三条谱线，中间的一条为 成份，分裂的两 为 成份，谱线间隔为一个洛仑兹单位。对于双重态以上的谱线将分裂成更多条的谱线。前者称 为正常塞曼效应，后者称为反常塞曼效应。
塞曼效应实验预习报告
院（系）名称 专业名称 实验课程名称 实验项目名称 物理系 物理教育 班 别 姓名 学号 近代物理实验 塞曼效应
内容包含：实验目的、实验原理简述、实验中注意事项、实验预习中的问题探讨
一、实验目的
1.研究汞光谱的塞曼分裂现象，计算汞光谱的塞曼分裂裂距以及电子的荷质比，证实原子具有磁 矩与空间取向量子化，进一步理解光的电磁理论 2.了解调节光学元件接近平行的方法，理解法布里—珀罗标准具的干涉原理并掌握其调整方法。
g
1 J ( J 1) S ( S 1) L( L 1) 2 J ( J 1)
由于 J 一定时， M J , J 1,, J ，所以由式（14）和（15）可知，原子在外磁场中，每个能 级都分裂为 2 J 1 个子能级。相邻子能级的间隔为
g
eh B g B B 4m
h ( E2 E2 ) ( E1 E1 ) h (M 2 g2 M1 g1 )B B
分裂后的谱线与原谱线的频率差为：
( M 2 g 2 M 1 g1 )
换以波数表示
e B 4m e B ( M 2 g 2 M 1 g1 ) L 4mc
4
2
2
其中 d 为标准具常数
1.法布里-珀罗标准具等光学元件应避免沾染灰尘、污垢和油脂，还应该避免在潮湿、过冷、过 热和酸碱性蒸汽环境中存放和使用； 2. 光学零件的表面上如有灰尘可以用橡皮吹气球吹去。如表面有污渍可以用脱脂、清洁棉花球 蘸酒精、乙醚混合液轻轻擦拭； 3.电磁铁在完成实验后应及时切断电源，以避免长时间工作使线圈积聚热量过多而破坏稳定性； 汞灯放进磁隙中时，应该注意避免灯管接触磁头； 测量中心磁场磁感应强度时，应注意探头在同一实验中不同次测量时放置于同一位置，以使测量 更加准确、稳定； 4.笔型汞灯工作时会辐射出紫外线，所以操作实验时不宜长时间眼睛直视灯光；另外，应经常 保持灯管发光区的清洁，发现有污渍应及时用酒精或丙酮擦洗干净； 5.汞灯工作时需要 1500V 电压，所以在打开汞灯电源后，不应接触后面板汞灯接线柱，以免对 人造成伤害； 6.因为法拉第效应实验和塞曼效应要求尽量减小外界光的影响，所以实验时最好在暗室内完成， 以使实验现象更加明显，实验数据更加准确； 7.主机正面板上的励磁电源故障灯是指示电源过热工作，此时，由于内置传感器的作用，机箱 内的风扇会自动启动，以加快空气流通，降低内部热量，此时最好关掉电源，过一段时间，再开 启励磁电源； 8.在完成法拉第效应实验过程中，注意不可以将眼睛正对激光光源，以免对眼睛造成伤害； 9.不要把 CCD 摄像机暴露在日光直射、雨天或者灰尘大的恶劣环境中（选配件） ； 10.严禁用手直接清洁 CCD 感光器，必要时可以用软布浸上酒精擦洗（选配件） ； 11.使用 CCD 摄像机时，注意轻拿轻放，避免强烈震动或跌落（选配件） 四、预习思考题 1. 理论上（F—P）标准具两相对反射面距离处处相等，实验中往往不相等。如何判断两反射问 题是否处处相等？如果不相等如何判断哪边 d 大，哪边 d 小？ 2、为什么改变磁感应强度 B，会看到相邻两级谱线的重叠，且是不同的重叠情况。 3、为什么要强调磁场方向与观察方向的关系？ ， 所对应的圆偏振光类型与磁场方向关系。
2
λ
θ
图
标准具光路
塞曼分裂的波长差是很小的，因此需要高分辨率的分光仪器，实验中一般采用法布里－珀罗标 准具（即 F-P 标准具）来分光，它的理论分辨率可以达到 10 ~ 10
5 7
法布里－珀罗标准具是由两块平面玻璃板中间夹有一个间隔圈组成的。玻璃板的内表面镀有高 反射膜。间隔圈用膨胀系数很小的材料加工成一定的厚度（我们采用的是 2 mm 的间隔圈） ，以保 证两玻璃板的距离不变，在用三个调节螺丝调节玻璃上的压力来达到精确平行，光路如图 6 所示 法布里－珀罗标准具是多光束干涉装置，一束光以 角射入标准具后，这束光可以在标准具的 两玻璃板内表面之间进行多次反射和透射，透射平行光束经透镜 L 会聚在它的焦平面上产生干 涉，设两玻璃板内平面间距为 d ，在空气中折射率近似为 n 1 ，入射角为 ，则相邻两光束的 光程差 2d cos ，形成亮条纹的条件为 2d cos k 式中 k 为正整数，表示干涉条纹级次。由式（17）可以看出，满足同一角 的光线，在屏上显
~ ~ ~ 1 Db Da 1 Dba ab b a 2d Dk 1 2 Dk 2 2d D 2
2
2
2
3
~ ~ ~ 1 Dc Db 1 Dcb cb c b 2d Dk 1 2 Dk 2 2d D 2
三、实验注意事项
2
24
其中，相邻子能级的间隔式中的玻尔磁子 B 9.2741 10
J T
设频率为 的光谱线是由原子的上能级 E 2 跃迁到下能级 E1 所产生，由此，谱线的频率同能级有 如下关系： h E2 E1
1
在外磁场作用下，上下两能级各获得附加能量 E2 ， E1 ，因此，每个能级各分裂 (2 J 2 1) 个 和 2( J 1 1) 个子能级。这样上下两个子能级之间的跃迁，将发出频率为 的谱线，并有