塞曼效应实验解读

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1、塞曼效应实验实验目的1、观察汞光在磁场中的塞曼分裂现象 2、测量塞曼分裂相邻能级的波数差 3、学习法布里珀罗标准具 的调节。实验仪器塞曼效应仪实验原理e（1）能级分裂：原子中的电子作自旋与轨道运动，使得原子具有一定的磁矩 卩=g P，其中J2 m JPJ = ,JJ +心为总角动量，在L S 耦合的情况下朗德因子为g = 1 + * -2jj:屮* 。原子磁矩在外磁场中受到力矩L二卩J x B的作用使卩J绕磁场eeh方向作旋进，产生附加能量丘=卩Bcosu = g P Bcosd= MgB，由于P卩在外磁场J2m J2 mJ J中的取向量子化，即磁量子数M=J, J-l.-J有2J +1个可能

2、值，因而有外磁场时原来的一个能级分 裂为 2J+1 个能级。（2）光谱分裂：一光谱线在B=0时，hv二E E ； B主0时，新的谱线21hvf =（E+ VE）（E+ VE）= hv +（Mg 一 Mg ）（选择定则 VM= 0,1）以汞光 546.12 2 1 1 2 2 1 1 2mnm的谱线跃迁的两能级（&丫）为例，在有磁场时看能级的塞曼分裂与跃迁:L = - = BxA6.7miTi（3）本实验观测波长为546.1 nm的谱线的塞曼分裂跃迁为P?，在磁场中将发生反常塞曼效应塞曼裂距为为宀2 g 2 - M1需对于如图所示的分裂有v = -v2dk(s - Dk(尢)2D2k-1-D2k

3、g2 - M1g2Be(d = 2.7mm)1）Db（k-1）Da（k-1）分别为相邻的b谱线a谱线的k-1级干涉环直径，DbQ为b谱线的第k级干涉环直径,d 为标准具内两夹板玻璃内表面的距离。实验内容与步骤1按图调节光路。汞灯与磁极的距离保持1mm左右，各光学元件共轴，使光源在会聚透镜焦平面上，光 均匀照射到标准具上；调节标准具两平行面严格平行，调整测微目镜使之观察到清晰明锐的干涉园环。（此 时不加磁场，调节标准具时，望远镜远离标准具才能成清晰的像的部分，调节时要压紧原来不清晰部分方 向的螺丝，望远镜靠近标准具才能成清晰的像的部分，调节时要放松原来不清晰部分方向的螺丝，直至眼 睛上下左右移动

4、，均无干涉环吐出或吞进。）2、观察有磁场及无磁场时的谱线情况（1）在无磁场时观察谱线的情况。（2）加上磁场，观察谱线分裂的情况，即谱线的条数，亮度、区分 谱线的兀成份和5成份。在标准具与观察望远镜间加入偏振片，转动偏振片观察谱线的偏振情况。3、测出D血）D_1）及D血），代入（1）式中计算VV （要求每测量三次取平均值）。 实验注意与思考1. 电磁铁长时间通较长时间电流（1A以上）线圈会发热，故在观察和测量完以后，要及时减少电流为零。2. 从塞曼分裂谱中如何确定能级的J量子数，如何确定能级的g因子？塞曼效应原理及实验方法塞曼分裂谱线与原谱线关系磁矩在外磁场中受到的作用（1） 原子总磁矩 在外磁

5、场中受到力矩的作用其效果是磁矩绕磁场方向旋进,也就是总角动量（Pj）绕磁场方向旋进。（2） 磁矩 在外磁场中的磁能U = -u-BM*由于園或在磁场中的取向量子化，所以其在磁场方向分量也量子化:原子受磁场作用而旋进引起的附加能量M 为磁量子数， g 为朗道因子，表征原子总磁矩和总角动量的关系， g 随耦合类型 不同（LS耦合和jj耦合）有两种解法。在LS耦合下：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 M只能取J，J-1，J-2 . -J （共2J+1）个值 即AE有（2J+1 ）个可能值。无 外磁场时的一个能级，在外磁场作用下将分裂成（2J+1）个能级，其分裂的

6、能级塞曼分裂谱线与原谱线关系（1） 基本出发点：B = 0EH 0&+辺h vrhv1 r场1 FjE +jLj5hvt = （E2 + 占遲2）一（总1 + 也1） =耳-角）+（恥2-心耳） =2+（岖& -必咼）旦詔由于分裂后谱线与原谱线频率差为方便起见，常表示为波数差定义L 二Amc= BxA6.7m1Ti称为洛仑兹单位Av = (Mg-Mlgl)L=46.7(M Qg) Mg)B塞曼分裂谱线的偏振特征塞曼跃迁的选择定则为：AM=0时为n成份（n型偏振）是振动方向平行于磁场的线偏振光，只有在垂直于磁场方向才能观察到，平行于磁场方向观察不到；但当AJ=0时，M2=0到M=0的跃迁被禁止。

7、当AM=1时，为o成份，o型偏振垂直于磁场， 观察时为振动垂直于磁场的线偏振光。平行于磁场观察时，其偏振性与磁场方向及观察方向都有关：沿磁场正向观察时（即磁场方向离开观察者：AM= +1为右旋圆偏振光（o+偏振）AM= -1为左旋圆偏振光（o-偏振）也即，磁场指 向观察者时：AM= +1为左旋圆偏振光 AM= -1为右旋圆偏振光 分析的总思路和总原则：在辐射的过程中，原子和发出的光子作为整体的角动量是守恒的。原子在磁场方向角动量为= Mh = M 2咒在磁场指向观察者时:涸当AM= +1时,与同向电磁波电矢量绕逆时针方向转动，在光学上称为左旋圆偏振光。AM= -1时,与 反向 电磁波电矢量绕顺

8、时针方向转动，在光学上称为右旋圆偏振光。例：Hg 5461A谱线，6S7S3Sf 6S6P3P2能级跃迁产生分裂后，相邻两谱线的波数差实验方法 观察塞曼分裂的方法塞曼分裂的波长差很小由于以 Hg 5461 A 谱线为例 当处于 B=1T 的磁场中A2 = /Av = 10_11 = 0.1A要观察如此小的波长差，用一般的棱镜摄谱仪是不可能的，需要用高分辨率的仪器，如法布里一珀罗标准器（FP标准具）。FP标准具由平行放置的两块平面板组成的，在两板相对的平面上镀薄银膜和其他有较高反射系数的薄膜。两平行的镀银平面的间隔是由某些热膨胀系数很小的材料做成的环固定起来。若两平行的镀银平面的间隔不可以改变，

9、则称该仪器为法布里珀罗干涉仪。标准具在空气中使用时，干涉方程（干涉极大值）为2d cos 8 - KZ标准具有两个特征参量自由光谱范围和分辨本领。自由光谱范围的物理意义：表明在给定间隔圈原度为d的标准具中，若入射光的波长在九X+AX间（或波数在间）所产生的干涉圆环不重叠，若被研究的谱N为精细度，两相邻干涉级）对于FP标准具间能够分辨的最大条纹数-RR为反射率，R 一般在90%当光近线波长差大于自由光谱范围，两套花纹之间就要发生重叠或错级，给分析带来困难， 因此在使用标准具时，应根据被研究对象的光谱波长范围来确定间隔圈的厚度。分辨本领：（似于正入射时）例如：d=5mm， R=90%，九=546.

10、1nm时 A九=0.001nm实验的研究内容分析在垂直于磁场与平行于磁场方向观察Hg 546.1nm谱线在磁场中的分裂，区分n, o+,b谱线，并确定磁场方向。设计方案，选用合适的FP标准具和改变磁感应强度，验证塞曼分裂的裂距Av =(m2g2-m1g1)L设计方案用塞曼分裂计算电子的荷质比。 讨论塞曼效应研究原子内部能级结构的方法和应用。实验讨论讨论（FP）标准具问题 理论上（FP）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？分析依据当d相等时，同一入射角0对应同一个K，因此干涉环为同心圆环。当df时，K f,因而出

11、现干涉环吐出，要将对应的d减小。 实验中垂直于磁场方向观察时要求1.区分塞曼分裂中n偏振成分和a偏振成分。2.选用合适的标准具，改变励磁电流观察a偏振成分，相邻两级谱线的重叠。用特斯拉计测出磁场，与相应的理论值比较。问题 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。分析 因为改变B可以观察到干涉纹不同的重叠或错级情况：自由光谱范围：FP标准具物理意义：若两谱线波长差自由光谱范围（或），则两套干涉环就要产生重叠或错级。当 d 确定后，是个确定的值。 塞曼裂距：Av=(M2g2-Mlgl)L= 46.1(M2g2-Mlgl)B所以实验中平行于磁场方向观察要求区分o+振与o

12、-偏振，并说明各自对应的AM = -1的跃迁。用的方法是光学中检验左、右旋偏振光的方法。实验中，常常出现的问题是忽略了磁场方向与观察方向的 关系。问题 为什么要强调磁场方向与观察方向的关系？AM = +1,A = -1所对应的圆偏振光类型与磁场方向关系。分析 按角动量守恒原则，在辐射过程中原子和发射的光子作为整体，总的角动量是守恒的。原子在磁场方向角动量时，原子在磁场方向角动量减少，因此发射的光子必定在磁场正方向上有角动量。当叫做左旋圆偏振光。同样，沿着磁场方向 平行于磁场观察时，观察到AM = +1对应的cr偏振为右旋圆偏振光。同理,AM = M2 一蚣=一1时原子在磁场方向角动量增加因此发

13、射光子必定具有在磁场相反方向上的角动量。即：磁场指向观察者时，这个电磁波电矢量是顺时针方向的，即为右旋圆偏振光。同学们如果对如何鉴别左、右旋圆偏光的原理，方法不清楚可以通过仿真实验学习塞曼效实验目的1. 掌握塞曼效应理论，测定电子的荷质比，确定能级的量子数和朗德因子，绘出跃迁的 能级图。2.掌握法布里-珀罗标准具的原理及使用，CCD摄像器件在图像传感中的应用。实验原理处于电磁场中的发光体，光谱线发生分裂的现象，称为塞曼效应，其原理简述如下:1. 原子中的电子一方面绕核作轨道运动(用角动量PL表征)，一方面本身做自旋运动 (用角动量PS表征)，将分别产生轨道磁矩Ml和自旋磁矩US，它们与角动量的

14、关系是：近Pl虫一 Ps一1)PL与Ps合成总角动量Pj并分别绕Pj旋进，Ml与Us合成总磁矩M， M在Pj延线上的 分量|jJ才是一个定向恒量。对多电子原子，由于角动量之间的相互作用，有LS耦合和jj耦合，但大多数情况是LS 耦合。对于两个电子，则有L L2合成L；S2合成S； L、 S又合成J。因此J在Pj延线上的分量JJ与Pj的关系是：jj=g Pj(3. 1-2)称朗德因子。在LS耦合情形，它与L、 S和J的关系是g=1+(3. 1-3)由于L、 S和J只能取整数和半整数，得出的g是一个简分数。2. 在外磁场作用下，产生原子磁矩与外磁场的相互耦合，赋予的耦合能量为AE= jjHcosa

15、 = Mg JBH(3. 1-4)式中JB=称玻尔磁子；M为磁量子数，是J在磁场方向上的量子化投影。由于J 一定时， M取值为一J,J + 1,.， J 1， J,即取2J + 1个数值，所以在外磁场中每一个原子能级(由J表征，称精细结构能级)都分裂为2J + 1个等间距的子能级(亦称磁能级)， 其间距由朗德因子g表征。两精细能级中磁能级之间的跃迁得到塞曼效应观察到的分裂光谱线，用波数表示为： = = =(M2g2M g)=(M2g2M1 g1)L (3. 1-5)式中L=称为洛伦兹单位。M的选择定则是M = M2M1=O, 1（3. 1-6）脚标2、 1分别代表始、终能级，其中AM= 0跃迁

16、谱线称为n分支线，AM = 1跃迁 谱线称为o分支线。3. 光的偏振与角动量守恒在微观领域中，光的偏振情况是与角动量相关联的，在跃迁过程中原子与光子组成的系统 除能量守恒外还必须满足角动量守恒。AM= 0，说明原子跃迁时在磁场方向角动量不变，因 此n光是沿磁场方向振动的线偏振光。AMm + I，说明原子跃迁时在磁场方向角动量减少一 个，则光子获得在磁场方向的一个角动量，因此沿磁场指向方向观察，为反时针的左旋圆偏 振光o+;同理AM = 1，可得顺时针的右旋圆偏振光o-。当垂直于磁场方向观察时（称横效应），如偏振片平行于磁场，将观察到0的n分支 线；如偏振片垂直于磁场，将观察到M = 1的o分支

17、线。而沿磁场方向观察时（称纵效应）， 将只观察到M = 1的左、右旋圆偏振的o分支线（图3. 1-1）。4. 若原子磁矩完全由轨道磁矩所贡献，即S=S2=0，g 1=g2=1，得到正常塞曼 效应，波数差为 = H=4.6 7 x1 0-5H（cm-1）（3. 1-7）通常情况两种磁矩同时存在，即S1=S20，则g/g2均不为1,称为反常塞曼效应， 波数差为 = （M2g2-M1g1） H（3. 1-8）塞曼效应是中等磁场（HR2特斯拉）对原子作用产生的效应，这样的磁场强度不足以 破坏原子的LS耦合。当磁场较强（几个特斯拉）时将产生帕邢-拜克效应。弱磁场（HV0. 0 1特斯拉）时则应考虑核自旋

18、参与耦合（见实验3. 2光磁共振）。塞曼效应证实了原子具有磁矩和空间量子化，实验观测与理论分析的一致性是对磁量 子数选择定则有效性的最好的实验证明，也是光子的角动量纵向分量有三个可能值（、0、 ）的最好证明。由塞曼效应的实验结果可确定有关原子能级的量子数M、J和g因子值， 并可计算出量子数L和S的数值，这些确定均与实验所用的原子无关，因而是考查原子结构 的最有效的方法。主要仪器简介1.法布里-珀罗标准具假定磁场强度H = 1特斯拉，则正常塞曼分裂 =4.67 x10-1 cm-1，对于如此小的 波数差，必须使用高分辨本领的光谱仪器，例如法布里-珀罗标准具。该仪器由固定间隔d的两块平行平晶构成，

19、内表面均镀有高反射膜(反射系数R0. 9), 因多光束干涉获得极高的分辨本领。满足干涉极大的两相邻光束的光程差为 =2ndcos 申=kA(3.1- 9)表征法-珀标准具的两个参量是自由光谱范围和分辨本领。(1) 自由光谱范围所谓自由光谱范围即所能研究的最大光谱范围，它等于移动一个条纹时波长的改变。如以 某单色光为基准，其自由光谱范围入可表示为入=(3.1-10)更有意义的是用波数来表示，则有 = =(3.1-11)即用波数表征的自由光谱范围是一仅与间隔厚度及间隔中介质折射率有关的恒量。例如对 于 d = 0. 2 00 cm 的空气层，若入= 5 4 6 1入,则入=0.7 5A, = 2.

20、5cm-1 o(2) 分辨本领按照瑞利判据，分辨本领由透射光强I D最大值的半宽度决定。透射光强I D与反射系数 R及两相邻光束的位相差6的关系称为爱里公式：I D = I0(3.1-12)因而用位相表示的半宽度，在考虑到R=1时有(3.1-13)相应可分辨的频率间隔d与自由光谱范围 (=c )之间的关系为=(3.1-14)所以分辨本领的表示式是=(3.1-15)即分辨本领主要由反射系数R决定：R越高，分辨本领越大。例如D = 0.200 cm的空 气层，对A= 5 4 6 1A，当R=0.9时，入/d2.2x105，即对5 4 6 1A能分辨的波长差为 2.5x10-2A，相应的波数差为8.

21、4x10-2cm-1，因此它完全满足实验的要求。2. CCD摄像器件CCD是电荷耦合器件的简称。它是一种金属-氧化物-半导体结构的新型器件，具有光电 转换、信息存储和信号传输(自扫描)的功能，在图像传感、信息处理和存贮多方面有着广泛 的应用。CCD摄像器件是CCD在图像传感领域中的重要应用。在本实验中，经由法-珀标准具出 射的多光束，经透镜会聚相干，呈多光束干涉条纹成像于CCD光敏面。利用CCD的光电转 换功能，将其转换为电信号图像，由荧光屏显示。因为CCD是对弱光极为敏感的光放大器 件，故荧屏上呈现明亮、清晰的法-珀干涉图像。实验仪器：1.装置图：1电磁铁 2汞灯 3会聚透镜 4偏振片 5透

22、射干涉滤光片 6法布里-珀罗标准具 7望远镜8CCD图象传感器及镜头9汞灯电源 10磁铁电源11多媒体计算机12图像卡实验仪器直流磁场及稳流电源、毫特斯拉计、笔形汞灯、法布里珀罗标准具(d=0.200cm)、 干涉滤色片(5 4 6 1 A)、偏振片、CCD摄像头(安装在螺旋测微器上)、显示器。实验内容本实验仅研究Hg 5461A横向塞曼效应，其光路如图3.1-2所示。1. 按图3.1-2调节光路，即以磁场中心到CCD窗口中心的等高线为轴，暂不放置干涉 滤色片，不开启CCD及显示器，光源通过以平行光入射法-珀标准具，出射光通过L2成 像于CCD光敏面。2. 调节法-珀标准具的平行度使两平晶平行

23、，即调节法-珀的三个螺丝，使左右上下移动 人眼对着法-珀看到的干涉条纹形状不变。3. 开启CCD和显示器，调节CCD上的平移微调机构至荧屏显示最佳成像状态，因汞 灯是复色光源，荧屏呈亮而粗条纹。4 .放置5 4 6 1干涉滤色片，则荧屏呈现明细的法-珀干涉条纹。5 .开启磁场电源，观察荧屏上的分裂的n光和O光条纹随磁场的变化情况。6.调节螺旋测微器使CCD沿垂直方向移动，则荧屏上条纹也相应移动。分别测量 n光和o光条纹的直径。注意：由于n光和o光所加磁场不同，必须每测量一种成分后用毫 斯特拉计测量光源处的磁场强度。注意事项1. 爱护光学元件表面，不得用手触摸法-珀平晶和干涉滤色片。2. 法-珀

24、标准具是精密光学仪器，调节平行度时应冷静分析，细心调节，切勿盲动。3. 爱护CCD摄像头，由于CCD对弱光极为灵敏，切勿用强光直射光敏面，以防过饱 和及损伤器件；光敏面应防止灰尘和水汽沾污，切勿用手和纸擦除；实验完后应将盖子盖好窗 口。数据处理 D 2i-D2k数值的不变性由于eK很小，故eK=DK/f，此处eK为干涉极大屮角的两倍，dk为条纹直径， f为成像焦距(图3.1-3)。因为cos可写成cos =1- =1-因而由干涉极大条件有K=(1-)即K与D2k呈一对应关系，所以有1= (D2k-1-D2k)这即是D21-D2k的不变性。如入射光中含有入和入入+d入(入代表分裂谱线波长)， 利

25、用入=2 nd/ K可得到d =K代表K级的分裂条纹，由测得的Dk、 DK1和Dk,值计算出。彳宀。2及D2k值，用已 知的nd值可算出分裂波数值d。 对Hg 5 4 6 1的分裂，根据公式= =4.6 7x10-1cm-1T-1确定(M2g2-M1 1)的数值，对于0的n光，理论值(M2g2-M1 1)=1 / 2,将实验结果与之比较，计算出误差。对于AM = 1的a光，可计算出上、下能级的M、J 和g因子值。由实验结果画出Hg 5 4 6 1塞曼效应跃迁能级图。由于eK很小，故eK=DK/f，此处eK为干涉极大屮角的两倍，dk为条纹直径, f为成像焦距(图3.1-3)。因为cos可写成co

26、s =1- =1-因而由干涉极大条件有K=(1-)即K与D2k呈一对应关系，所以有1= (D2 -D2 )K-1 K这即是D2k1D2k的不变性。如入射光中含有入和入入+d入(入代表分裂谱线波长)， 利用入=2 nd/ K可得到d =K代表K级的分裂条纹，由测得的Dk、DK1和Dk,值计算出。彳宀。2及D2k值，用已知的nd值可算出分裂波数值d。对Hg 5 4 6 1的分裂，根据公式= =4.6 7x10-icm-1T-1确定(M2g2-Mi gi)的数值，对于0的n光，理论值(M2g2-Mi 1)=1 / 2,将实验结果与之比较，计算出误差。对于AM = 1的a光，可计算出上、下能级的M、J

27、 和g因子值。由实验结果画出Hg 5 4 6 1塞曼效应跃迁能级图。1 .按图3.1-2调节光路，即以磁场中心到CCD窗口中心的等高线为轴，暂不放置干涉 滤色片，不开启CCD及显示器，光源通过以平行光入射法-珀标准具，出射光通过L2成 像于CCD光敏面。2. 调节法-珀标准具的平行度使两平晶平行，即调节法-珀的三个螺丝，使左右上下移动 人眼对着法-珀看到的干涉条纹形状不变。3. 开启CCD和显示器，调节CCD上的平移微调机构至荧屏显示最佳成像状态，因汞 灯是复色光源，荧屏呈亮而粗条纹。4 .放置5 4 6 1干涉滤色片，则荧屏呈现明细的法-珀干涉条纹。5 .开启磁场电源，观察荧屏上的分裂的n光

28、和a光条纹随磁场的变化情况。6.调节螺旋测微器使CCD沿垂直方向移动，则荧屏上条纹也相应移动。分别测量 n光和a光条纹的直径。注意：由于n光和a光所加磁场不同，必须每测量一种成分后用毫 斯特拉计测量光源处的磁场强度。注意事项1. 爱护光学元件表面，不得用手触摸法-珀平晶和干涉滤色片。2. 法-珀标准具是精密光学仪器，调节平行度时应冷静分析，细心调节，切勿盲动。3. 爱护CCD摄像头，由于CCD对弱光极为灵敏，切勿用强光直射光敏面，以防过饱 和及损伤器件；光敏面应防止灰尘和水汽沾污，切勿用手和纸擦除；实验完后应将盖子盖好窗 口。数据处理D2k1D2k数值的不变性由于eK很小，故eK=DK/f，此

29、处eK为干涉极大屮角的两倍，dk为条纹直径， f为成像焦距(图3.1-3)。因为cos可写成cos =1- =1-因而由干涉极大条件有K=(1-)即K与D2k呈一对应关系，所以有1=(D2k-1-D2k)这即是D2K1D2k的不变性。如入射光中含有入和入入+d入(入代表分裂谱线波长)， 利用入=2 nd/ K可得到d =K代表K级的分裂条纹，由测得的Dk、DK1和Dk,值计算出D2k、D2K及D2k值，用已知的nd值可算出分裂波数值d。对Hg 5 4 6 1的分裂，根据公式= =4.6 7x101 cm1T1确定(M2g2M1 1)的数值，对于0的n光，理论值(M2g2M1 1)=1 / 2,

30、将实验结果与之比较，计算出误差。对于AM = 1的a光，可计算出上、下能级的M、J 和g因子值。由实验结果画出Hg 5 4 6 1塞曼效应跃迁能级图。由于eK很小，故eK=DK/f，此处eK为干涉极大屮角的两倍，dk为条纹直径， f为成像焦距(图3.1-3)。因为cos可写成cos =1- =1-因而由干涉极大条件有K=(1-)即K与D2k呈一对应关系，所以有1=(D2k-1-D2k)这即是D2K1D2k的不变性。如入射光中含有入和入入+d入(入代表分裂谱线波长)， 利用入=2 nd/ K可得到d =K代表K级的分裂条纹，由测得的Dk、DK1和Dk,值计算出D2k、D2K及D2k值，用已知的n

31、d值可算出分裂波数值d。对Hg 5 4 6 1的分裂，根据公式= =4.6 7x10-1cm-1T-1确定(M2g2-M1 1)的数值，对于0的n光，理论值(M2g2-M1 1)=1 / 2,将实验结果与之比较，计算出误差。对于AM = 1的a光，可计算出上、下能级的M、J 和g因子值。由实验结果画出Hg 5 4 6 1塞曼效应跃迁能级图。4. 若原子磁矩完全由轨道磁矩所贡献，即S=S2=0，g 1=g2=1，得到正常塞曼效应，波数差为 = H=4.6 7 x1 0-5H(cm-1)(3. 1-7)通常情况两种磁矩同时存在，即S1=S20，则g/g2均不为1,称为反常塞曼效应, 波数差为塞曼效

32、应是中等磁场（HR2特斯拉）对原子作用产生的效应，这样的磁场强度不足以 破坏原子的LS耦合。当磁场较强（几个特斯拉）时将产生帕邢-拜克效应。弱磁场（HVO. 0 1特斯拉）时则应考虑核自旋参与耦合（见实验3. 2光磁共振）。塞曼效应证实了原子具有磁矩和空间量子化，实验观测与理论分析的一致性是对磁量 子数选择定则有效性的最好的实验证明，也是光子的角动量纵向分量有三个可能值（、0、 -）的最好证明。由塞曼效应的实验结果可确定有关原子能级的量子数M、J和g因子值， 并可计算出量子数L和S的数值，这些确定均与实验所用的原子无关，因而是考查原子结构 的最有效的方法。主要仪器简介1. 法布里-珀罗标准具假

33、定磁场强度H = 1特斯拉，则正常塞曼分裂 =4.67 xIO-1 cm-1，对于如此小的 波数差，必须使用高分辨本领的光谱仪器，例如法布里-珀罗标准具。该仪器由固定间隔d的两块平行平晶构成，内表面均镀有高反射膜（反射系数R0. 9）, 因多光束干涉获得极高的分辨本领。满足干涉极大的两相邻光束的光程差为 =2ndcos 申=kA（3.1- 9）表征法-珀标准具的两个参量是自由光谱范围和分辨本领。（1）自由光谱范围所谓自由光谱范围即所能研究的最大光谱范围，它等于移动一个条纹时波长的改变。如以 某单色光为基准，其自由光谱范围入可表示为入二（3.1-10）更有意义的是用波数来表示，则有 = =（3.

34、1-11）即用波数表征的自由光谱范围是一仅与间隔厚度及间隔中介质折射率有关的恒量。例如对 于d = 0. 2 00 cm 的空气层，若入= 5 4 6 1入侧入= 0.75入， =2.5cm-1。（2）分辨本领按照瑞利判据，分辨本领由透射光强I D最大值的半宽度决定。透射光强I D与反射系数 R及两相邻光束的位相差6的关系称为爱里公式：IdT(3小12)因而用位相表示的半宽度，在考虑到R=1时有沪(3.1-13)相应可分辨的频率间隔d与自由光谱范围 (=c )之间的关系为=(3.1-14)所以分辨本领的表示式是=(3.1-15)即分辨本领主要由反射系数R决定：R越高，分辨本领越大。例如D =

35、0.200 cm的空 气层，对入= 5 4 6 1入，当R=0.9时，入/d22.2x105，即对5 4 6 1A能分辨的波长差为 2.5x10-2入，相应的波数差为8.4x10-2 cm-1，因此它完全满足实验的要求。2. CCD摄像器件CCD是电荷耦合器件的简称。它是一种金属-氧化物-半导体结构的新型器件，具有光电 转换、信息存储和信号传输(自扫描)的功能，在图像传感、信息处理和存贮多方面有着广泛 的应用。CCD摄像器件是CCD在图像传感领域中的重要应用。在本实验中，经由法-珀标准具出 射的多光束，经透镜会聚相干，呈多光束干涉条纹成像于CCD光敏面。利用CCD的光电转 换功能，将其转换为电

36、信号图像，由荧光屏显示。因为CCD是对弱光极为敏感的光放大器 件，故荧屏上呈现明亮、清晰的法-珀干涉图像。实验仪器：1. 装置图：1电磁铁2汞灯3会聚透镜 4偏振片5透射干涉滤光片6法布里-珀罗标准具 7望远镜8CCD图象传感器及镜头9汞灯电源 10磁铁电源11多媒体计算机12图像卡实验仪器直流磁场及稳流电源、毫特斯拉计、笔形汞灯、法布里-珀罗标准具(d=0.200cm)、干 涉滤色片(5 4 6 1 A)、偏振片、CCD摄像头(安装在螺旋测微器上)、显示器。实验内容本实验仅研究Hg546lA横向塞曼效应，其光路如图3.1-2所示。1. 按图3.1-2调节光路，即以磁场中心到CCD窗口中心的等

37、高线为轴，暂不放置干涉 滤色片，不开启CCD及显示器，光源通过以平行光入射法-珀标准具，出射光通过L2成 像于CCD光敏面。2. 调节法-珀标准具的平行度使两平晶平行，即调节法-珀的三个螺丝，使左右上下移动 人眼对着法-珀看到的干涉条纹形状不变。3. 开启CCD和显示器，调节CCD上的平移微调机构至荧屏显示最佳成像状态，因汞 灯是复色光源，荧屏呈亮而粗条纹。4 .放置5 4 6 1干涉滤色片，则荧屏呈现明细的法-珀干涉条纹。5 .开启磁场电源，观察荧屏上的分裂的n光和O光条纹随磁场的变化情况。6.调节螺旋测微器使CCD沿垂直方向移动，则荧屏上条纹也相应移动。分别测量 n光和o光条纹的直径。注意

38、：由于n光和o光所加磁场不同，必须每测量一种成分后用毫 斯特拉计测量光源处的磁场强度。注意事项1. 爱护光学元件表面，不得用手触摸法-珀平晶和干涉滤色片。2. 法-珀标准具是精密光学仪器，调节平行度时应冷静分析，细心调节，切勿盲动。3. 爱护CCD摄像头，由于CCD对弱光极为灵敏，切勿用强光直射光敏面，以防过饱 和及损伤器件；光敏面应防止灰尘和水汽沾污，切勿用手和纸擦除；实验完后应将盖子盖好窗 口。数据处理D2kt D2k数值的不变性由于eK很小，故eK=DK/f，此处eK为干涉极大屮角的两倍，dk为条纹直径， f为成像焦距(图3.1-3)。因为cos可写成cos =1- =1-因而由干涉极大

39、条件有K=(1-)即K与D2k呈一对应关系，所以有1= (D2K-1-D2K)这即是D2K1D2K的不变性。如入射光中含有入和入入+d入(入代表分裂谱线波长)， 利用入=2 nd/ K可得到d =K代表K级的分裂条纹，由测得的Dk、DK1和Dk,值计算出D2k、D2K及D2k值，用已知的nd值可算出分裂波数值d。对Hg 5 4 6 1的分裂，根据公式= =4.6 7x101 cm1T1确定(M2g2M1 1)的数值，对于0的n光，理论值(M2g2M1 1)=1 /2, 将实验结果与之比较，计算出误差。对于AM = 1的a光，可计算出上、下能级的M、J 和g因子值。由实验结果画出Hg 5 4 6

40、 1塞曼效应跃迁能级图。由于eK很小，故eK=DK/f，此处eK为干涉极大屮角的两倍，dk为条纹直径， f为成像焦距(图3.1-3)。因为cos可写成cos =1- =1-因而由干涉极大条件有K=(1-)即K与D2k呈一对应关系，所以有1=(D2k-1-D2k)这即是D2K1D2k的不变性。如入射光中含有入和入入+d入(入代表分裂谱线波长)， 利用入=2 nd/ K可得到d =K代表K级的分裂条纹，由测得的Dk、dk i和Dk,值计算出D2k、D2K i及D2k值，用已知的nd值可算出分裂波数值d。对Hg 5 4 6 1的分裂，根据公式= =4.6 7x10icm1T1确定(M2g2Mi gi

41、)的数值，对于0的n光，理论值(M2g2Mi 1)=1 / 2,将实验结果与之比较，计算出误差。对于AM = 1的a光，可计算出上、下能级的M、J 和g因子值。由实验结果画出Hg 5 4 6 1塞曼效应跃迁能级图。数据处理D2k1D2k数值的不变性由于eK很小，故eK=DK/f，此处eK为干涉极大屮角的两倍，dk为条纹直径， f为成像焦距(图3.1-3)。因为cos可写成cos =1- =1-因而由干涉极大条件有K=(1-)即K与D2k呈一对应关系，所以有1= (D2k-1-D2k)这即是D2K1D2k的不变性。如入射光中含有入和入入+d入(入代表分裂谱线波长)， 利用入=2 nd/ K可得到

42、d =K代表K级的分裂条纹，由测得的Dk、DK1和Dk,值计算出D2k、D2K及D2k值，用已知的nd值可算出分裂波数值d。对Hg 5 4 6 1的分裂，根据公式= =4.6 7x101cm1T1确定(M2g2M1 g1)的数值，对于AM= 0的n光，理论值(M2g2M1 g1)=1 / 2,将实验结果与之比较，计算出误差。对于AM = 1的a光，可计算出上、下能级的M、J 和g因子值。由实验结果画出Hg 5 4 6 1塞曼效应跃迁能级图。1、行万里路，读万卷书。2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。3、读书破万卷，下笔如有神。4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。达尔文5、少壮不努力，老大徒悲伤。6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。颜真卿7、宝剑锋从磨砺岀，梅花香自苦寒来。8、读书要三到：心到、眼到、口到9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。10、一日无书，百事荒废。一一陈寿11、书是人类进步的阶梯。12、一日不读口生，一日不写手生。13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。高尔基14、书到用时方恨少、事非经过不知难。陆游15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈歌德16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。笛卡儿17、学习永远不晚。高尔基刘向18、少而好学，如日岀之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。19、学而不思则惘，思而不学则殆。孔子