近代物理实验-塞曼效应实验
塞曼效应实验报告
塞曼效应实验报告塞曼效应实验报告引言：塞曼效应是物理学中的一个重要现象，它揭示了原子和分子在磁场中的行为。
本实验旨在通过观察和分析塞曼效应，深入了解原子和分子的磁性质，并探索其在科学研究和应用领域的潜在价值。
实验装置：本实验所使用的装置主要包括：磁场产生装置、光源、光栅、光电探测器等。
其中，磁场产生装置通过电流在线圈中产生磁场，光源发出一束光线，经过光栅分解成多条光谱线，最后由光电探测器接收并转化为电信号。
实验步骤：1. 首先，将磁场产生装置放置在实验台上，并通过电源调节线圈中的电流，使得磁场强度达到所需的数值。
2. 将光源对准光栅，确保光线垂直入射，并调节光源的亮度，使得光线足够明亮。
3. 调整光栅的角度，使得光线经过光栅后分解成多条光谱线。
4. 将光电探测器放置在光谱线的路径上，并连接到示波器上，以观察电信号的变化。
5. 在无磁场的情况下，记录下光电探测器接收到的电信号的强度，并作为基准值。
6. 开启磁场产生装置，调节电流，使得磁场强度逐渐增大。
观察并记录下光电探测器接收到的电信号的变化情况。
实验结果与分析：在实验中，我们观察到了明显的塞曼效应。
当磁场强度逐渐增大时，光电探测器接收到的电信号发生了明显的变化。
这是因为原子和分子在磁场中会发生能级的分裂，导致光谱线的位置发生变化。
通过对实验数据的分析，我们可以得出以下结论：1. 塞曼效应的大小与磁场强度成正比。
当磁场强度增大时，塞曼效应的程度也随之增加。
这与塞曼效应的理论预测相符。
2. 塞曼效应的方向与磁场方向有关。
根据实验结果，我们可以确定光谱线的分裂方向与磁场方向垂直。
这是因为原子和分子在磁场中会受到洛伦兹力的作用，使得能级分裂成多个子能级。
3. 塞曼效应的大小与原子或分子的性质有关。
不同的原子或分子在磁场中会产生不同程度的塞曼效应。
这是由于不同原子或分子的磁矩不同，从而导致其在磁场中的行为差异。
实验应用：塞曼效应在科学研究和应用领域具有广泛的应用价值。
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。
实验-塞曼效应
实验三 塞曼效应实验目的：1．观察汞5461埃光谱线的塞曼效应，并测量它分裂的波长差。
2．测定电子的荷质比e/m 值。
实验原理：当光源置于外磁场中，光源发出的每一条光谱线都将分裂成几条波长相差很小的偏振化分谱线，这一现象称为塞曼效应。
设原子某一能级的能量为E 0，在磁感应强度为B 的外磁场的作用下，原子将获得附加的能量∆E ：∆E=Mg B μ BM 为磁量子。
M=J,J-1,…..,-J,共有(2J+1)个值。
因此，原来的一个能级将分裂成(2J+1)个子能级。
子能级的间隔相等，并正比于B 和朗德因子g ，对于L-S 耦合的情况：g=1+)1(2)1()1()1(++-+++J J L L S S J J式中B μ为玻尔磁子，B μ=mhe π4。
设频率为υ的光谱线是由原子的上能级E 2跃迁到下能级E 1所产生（h υ= E 2- E 1），在外磁场的作用下，上下两能级各获得附加能量∆E 2，∆E 1，因此，每个能级各分裂成（2J 2+1）个和（2J 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υ'的谱线，并有h υ'=（E 2+∆E 2）-（ E 1+∆E 1）= （E 2- E 1）+（∆E2-∆E 1）= h υ+（M 2g 2- M 1g 1）B μ B分裂后的谱线与原谱线的频率差将为∆υ=（M 2g 2- M 1g 1）B μB/hc=（M 2g 2- M 1g 1）L其中L=B μB/hc=4.67*105-B(cm 1-)L 称为洛仑兹单位，正是正常塞曼效应所分裂的裂距。
在能级跃迁时，磁量子数受到选择性定则和偏振定则所限制。
1.选择性定则：∆M =M 2- M 1=0（当∆J=0 M 1=0 M 2=0 被禁止） ∆M=±1 2.偏振性定则：说明：1.K 为光传播方向矢量，H为外磁场方向。
2. π成分表示光波的电矢量E 平行于B ，σ成分表示E 垂直于B.3.在光学中，如果光线对于观察者迎面而来，这时电矢量若按逆时针方向旋转，我们称之为左旋圆偏振光；若逆时针方向旋转，则称之为右旋圆偏振光。
实验4.塞曼效应
塞曼效应一、实验的目的：1.过观查塞曼效应现象，了解塞曼效应是由于电子的轨道磁矩与自旋磁矩共同受到外磁场作用而产生的。
证实了原子具有磁矩和空间取向量子化的现象，进一步认识原子的内部结构。
并把实验结果和理论进行比较。
2.掌握法布里—珀罗标准具的原理和使用，了解使用CCD及多媒体计算机进行实验图象测量的方法。
二，实验仪器KF-PWZ型塞曼效应实验仪三.实验原理当发光的光源置于足够强的外磁场中时，由于磁场的作用，使每条光谱线分裂成波长很靠近的几条偏振化的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同，这种现象称为塞曼效应。
正常塞曼效应谱线分裂为三条，而且两边的两条与中间的频率差正好等于eB/4πmc，可用经典理论给予很好的解释。
但实际上大多数谱线的分裂多于三条，谱线的裂矩是eB/4πmc 的简单分数倍，称反常塞曼效应，它不能用经典理论解释，只有量子理论才能得到满意的解释。
四.实验步骤在本实验中，光源用水银放电管，由专用电源点燃；N、S为电磁铁的磁极,电磁铁用支流稳压电源供电；L1为会聚透镜，使通过标准具的光强增强；A、B为F—P标准具；P为偏振片，在垂直磁场方向观察时用以鉴别成分和成分；k为1/4波片，在沿磁场方向观察时用以鉴别左圆偏振和右圆偏振光；后部分是测量望远镜、CCD图象采集处理部分。
五，实验处理未加磁场D KD K-1加磁场后Da Db -27.7912测量值e/m=-1.90394821E+11理论值e/m=-1.75881962E+11误差为8.251477%2212221~~~K K b a b a D D D D nh --∙=-=∆-ννν()Lg M g M mc e B g M g M )(4/~11221122-=∙-=∆πν315.56mm 531.66mm326.44356.88 g)L11。
塞曼效应实验的调节研究--何祥彬
塞曼效应实验的 调节研究
答辩人： 何祥彬
导 师：
专 业：
鄢仁文
物理学
内容提要
一、摘要 二、塞曼效应实验仪的光路测量原 理 三、F-P标准具和光路等高共轴的调 整 四、改进措施前后对比结果
一、摘要
塞曼效应实验是近代物理实验中比较 难的一个实验，所调仪器元件多，光路调 整要求高，过程复杂。所以，本文提出了 一套基于WPZ-III型塞曼效应实验仪的快速 有效调节方法，提高了实验的效率和成功 率。
关键词：塞曼效应 F-P标准具 光路
Abstract: The Zeeman effect experiment is one of the key experiment of modern physics, but it’s very difficult for students to complete .In this paper，a precise method based on WPZ-III Zeeman effect experiment instrument to fast adjust the instrument was given. it will be helpful for student to improve the experiment efficiency. Key words:Zeeman effect, f-P etalon, light road
2、光路系统等高共轴的调整
图6 塞曼效应光路图
四、改进措施前后对比结果
经过调节好的F-P标准具和调整好的等高共轴光路 和未完全调节好的实验仪器在显示屏上成的干涉同心圆 环对比如图6(a)、(b)所示。
（a）调节前
（b）调节后
近代塞曼效应实验报告
一、实验目的1. 观察并记录塞曼效应现象，理解其产生原理。
2. 学习并掌握利用塞曼效应测量电子荷质比的方法。
3. 理解塞曼效应在原子结构、分子结构等方面的应用。
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。
根据半经典模型，电子在原子中具有轨道角动量和自旋角动量，两者合成总角动量。
当原子处于外磁场中时，总角动量与磁矩相互作用，导致能级分裂。
根据量子力学理论，电子在原子中具有轨道角动量量子数l、自旋角动量量子数s 和总角动量量子数j。
在外磁场作用下，总角动量与磁矩相互作用，导致能级分裂成(2j+1)个能级。
能级分裂的能量差ΔE与磁感应强度B、玻尔磁子μB和朗德因子g有关，即ΔE = gjμBB。
实验中，通过观察光谱线的分裂情况，可以测量磁感应强度B、电子荷质比等物理量。
三、实验仪器与设备1. 光谱仪：用于观察原子光谱。
2. 磁场发生器：用于产生外磁场。
3. 电源：为磁场发生器提供电源。
4. 计算器：用于计算数据。
四、实验步骤1. 将原子气体充入光谱仪，调整光谱仪使其对准原子气体。
2. 打开磁场发生器，调节磁场强度，观察光谱线的分裂情况。
3. 记录不同磁场强度下的光谱线分裂数据。
4. 根据实验数据，计算磁感应强度B、电子荷质比等物理量。
五、实验结果与分析1. 观察到在外磁场作用下，原子光谱线发生分裂，分裂成若干条偏振谱线。
2. 根据实验数据，计算得到磁感应强度B和电子荷质比。
（此处省略具体计算过程和结果）六、实验结论1. 通过实验验证了塞曼效应现象，理解了其产生原理。
2. 学会了利用塞曼效应测量电子荷质比的方法。
3. 理解了塞曼效应在原子结构、分子结构等方面的应用。
七、实验注意事项1. 实验过程中，注意安全，避免磁场对人体的危害。
2. 调节磁场强度时，要缓慢进行，避免磁场突变对实验结果的影响。
3. 记录实验数据时，要准确无误。
八、实验总结本实验通过观察塞曼效应现象，掌握了利用塞曼效应测量电子荷质比的方法。
塞曼效应-周丽霞
中国石油大学近代物理实验实验报告成绩：班级：材料物理11-2 姓名：闫霞同组者：王佳宁教师周丽霞塞曼效应【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（3-3-1）其中M为磁量子数，为波尔磁子，B为磁感应强度，g是朗德因子。
朗德因子表征原子的总磁矩和总角动量的关系，定义为（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。
无外磁场时，能级E1和E2之间的跃迁产生频率为ν的光，即。
而在磁场中，能级E1和E2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(3-3-3) 分裂后谱线与原谱线的频率差为（3-3-4）（3-3-5）以汞的546.1 nm绿光谱线为例，说明谱线的分裂情况。
该谱线是从（6S7S）3S1到(6S6P)3P2能级跃迁产生的。
在外磁场作用下能级的分裂如图3-3-1所示。
图3-3-1 Hg绿谱线塞曼分裂图2、观测塞曼分裂的方法用F－P标准具测量塞曼分裂谱线波长差应用F－P标准具测量各分裂谱线的波长或波长差，是通过测量干涉环的直径来实现的，如图3-3-2所示，用透镜把F－P标准具的于涉圆环成像在焦平面上，出射角为θ的圆环直径D与透镜焦距f间满足关系：对于近中心的圆环，θ很小，，所以代人（3-3-8）式得（3-3-9）由上式可推得，同一波长λ的相邻k和k-l级圆环直径的平方差为（3-3-10）可见⊿D2是与干涉级次无关的常数。
设波长λa 和λb的第 k级干涉圆环的直径分别为 Da和Db，根据上两式得波长差为（3-3-11）用波数表示（3-3-12）用F－P标准具观测塞曼分裂，计算荷质比根据（3-3-7）式，对于正常塞曼效应分裂的波数差为代人（3-3-12）式，得（3-3-13）【实验仪器】观察和测量塞曼效应的实验仪器有直读式和CCD式两种，两者在基本结构上一致，只是在观察与读数装置上有所差别，前者使用读数显微镜，后者使用CCD摄像机与计算机配套。
塞曼效应实验现象的理论分析
塞曼效应实验现象的理论分析目录0 引言 (1)1 实验注意事项 (1)2 汞绿线的塞曼分裂及实验观测 (1)3 实验现象的理论分析 (3)3.1分裂谱线的频率成分 (3)3.2实验的图像特征分析 (3)4 塞曼效应的破坏 (4)5 塞曼效应的实际用途 (4)参考文献 (5)塞曼效应实验现象的理论分析摘要：利用理论公式对塞曼效应实验中的一些实验现象进行了分析探讨,在实验教学中逐步地提出并分析解决问题,注重了理论和实验的有机结合,很好地激发了学生对实验的兴趣和探索欲望。
关键词:塞曼效应; 磁场; 实验现象; 理论AbstractWith the theoretical formula of zeeman effect experiment of some experimental phenomena are analyzed to explore, in the experiment teaching gradually put forward and analysis and problem solving, pay attention to the theory and experiment of the organic combination, good to stimulate the students' interest in the experiment and desire to explore.Keywords: Zeeman effect; Magnetic field; The experiment phenomenon; theory0 引言1896年荷兰物理学家塞曼研究电磁场对光的影响,他把钠光源置于强磁场中, 发现钠光谱线出现了加宽现象, 即谱线发生了分裂。
著名物理学家洛仑兹用经典电子理论对这种现象进行了解释。
他认为电子存在轨道磁矩,并且磁矩在空间的取向是量子化的,因此在磁场作用下能级发生了分裂,谱线分裂成间隔相等的三条谱线。
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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/me；
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=Mg𝜇𝐵𝐵 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=(𝑚
2𝑔2−𝑀1𝑔1)𝜇𝐵
𝐵/ℎ
其中𝜇𝐵是玻尔磁子：𝜇𝐵=𝑒ℎ4𝜋𝑚 得：∆γ=（𝑚2𝑔2−𝑀1𝑔1）
𝑒ℎ
4𝜋𝑚
𝐵
用波数差表示为： ∆σ=（𝑚2𝑔2−𝑀1𝑔1）
𝑒
4𝜋𝑚𝑐
𝐵
导出电子的荷质比为：𝑒𝑚= 22114cmgmg (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=k （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（𝐷𝑏2−𝐷𝑎2𝐷𝑘−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
（1） 调整外光路，使得汞放电管发出的光辐射经透镜L1和反射镜Bs在摄
谱仪入射狭缝上成像。
（2） 加磁场后，用偏振光片在摄谱仪谱面上观察汞谱线分裂后各分支谱线
的偏振特性
（3） 分别拍摄无磁场和加上磁场后汞放电管的光谱，以记录谱线在磁场中
的分裂情况。加磁场后，在入射狭缝前放置偏振光片P拍摄一组，取
掉偏振光片P再拍摄一组，以记录谱线的偏振特性。拍摄铁光谱，以
作为测量波长用的标准光谱。摄取铁光谱时，移去反射镜Bs；还要
根据所社波段，在入射狭缝前加上适当的滤光片，以消除二级光谱以
外的干扰谱线。
（4） 摄谱结束后取出汞放电管 ，并使用高斯计测量磁场的磁感应强度。
（5） 使用阿贝比长仪精确测量各分支谱线的波长。
2.通过表格和能级跃迁图解释和分析谱线
（1）确定塞曼能级，标定这些能级发生塞曼效应分裂前后的量子态及量子数，
并分别计算他们的朗德因子。
（2）按照选择定则确定发生跃迁的各磁能级，确定分支谱线的数目。分别计算
这些磁能级跃迁与分裂前能级跃迁的波长差，并参照前述钠原子光谱的例
子，以洛伦兹单位表示出这些谱线分裂前后的相对距离。计算出与上述波
数差相应的波长差与测量结果加以对比。
（3）根据磁量子数的选择定则，确定各分支谱线的偏振方向
（4）将以上分析结果用一个表格简介清晰的表示出来，并附以必要的说明和讨
论，画出谱线所对应的能级跃迁图。
六、数据处理
1.作图，2pGKIV曲线图；
2.确定峰谷电压
U峰/V U峰1 U峰2 … U峰6
U谷/V U谷1 U谷2 … U谷6
3.逐差法：
1U =U峰4-U峰1；2U= U峰5-U峰2；3
U
=U峰6-U峰3；
4U=U谷4-U谷1；5U =U谷5-U谷2；6
U
= U谷6-U谷3；
6
116iiUU
;
4. 氩原子第一激发电位
1
1
3
EU
5.不确定度
6
2
1661iiAUUu
，
0.1
3
B
V
u
，0.1V为仪器误差
22
1
EAB
Uuu
,
6.
1
E
结果表达式：
111
E
EEU
…
七、注意事项
1.弗兰克-赫兹管很容易因电压设置不合适而遭到损害，所以，一定要按照
规定的实验步骤和适当的状态进行实验。
2. 2GKV电源提供大于82V的电压，但实验不能超过82V，否则弗兰克—赫
兹管有被击穿的危险。
3. 弗兰克—赫兹管一旦被击穿，电流就会快速增加，应立即把2GKV电压降
下来，否则会损坏管子。
八、思考题
1.如何根据所给的跃迁光谱项确定塞曼效应的谱线条数和各分支谱的偏振
特性？
2.根据实验要求拟定详细的摄谱计划。
九、参考文献
[1]褚圣麟.原子物理学.北京：高等教育出版社，1979
[2]G.赫兹堡.原子光谱与原子结构.北京：科学出版社，1983