塞曼效应实验报告

贵州师范学院物理实验报告

批 阅 实验名称：赛曼效应 实验日期： 年 月 日

级 班 姓名 同组者 教师 一、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。。 二、实验仪器： ~?4.67?10cm，对于如此小的波 假定磁场强度H＝l特斯拉，则正常塞曼分裂???1?11．法布里—珀罗标准具 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R>0.9)，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??k? (1) 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，它等于移动一个月时波长的改变。如以某单色光为基准，其自由光谱范围??可表示为 ???更有意义的是用波数来表示，则有 ?22nd?? (2) ~? ???2?1 (3) 2nd?1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牛折射率有关的恒量。例如对~?2.5cm。 于d=0.200 cm的空气层，着?＝5461 ?，则??＝O．75 ?，?? (2)分辨本领 按照瑞利判据，分辨本领?/d?由透射光强ID最大值的半宽度决定。透射光强ID与反射系数R及两相邻光束的位相差?的关系称为爱里公式: (1?R)2 ID?I0 (4) 22(1?R)?4Rsin(?/2)因而用位相表示的半宽度?，在考虑到R?1时有 ??2(1?R) (5) R

~)之间的关系为 相应可分辨的频率间隔d?与自由光谱范围??(?c?? 所以分辨本领的表示式是 d??? (6) ??2???2??2nd?R (7) ???d?d?????(1?R)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=O．200cm的空气层，5对??5461 ?，当R=O.9时，?/d??2.2?10，即对5 461 ?能分辨的波长差为 2.5?10?2 ?，相应的波数差为8.4?10?2cm?1，因此它完全满足实验的要求。 2．CCD摄像器件、流磁场及稳流电源、毫特斯拉计、笔形汞灯、干涉滤色片(5461 ?)、偏振片、显示器。 二、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?L和自旋磁矩?S,它们与角动量的关系是： ?L??eePL ?S??PS (8) 2mcmcPL和PS合成总角动量PJ并分别绕PJ旋进,?L与?S合成总磁矩?, ?在PJ延线上的分量?J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l1,l2合成 L；s1,s2合成S；L、S又合成J。因此?在PJ延线上的分量?J与PJ的关系是： ?J??gePJ (9) 2mcg称朗德因子。在LS耦合情形，它与L、S和J的关系是 g?1?J(J?1)?S(S?1)?L(L?1) (10) 2J(J?1)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 ?E???JHcos??Mg?BH (11) 式中?B?eh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，4?mM取值为-J，-J+l，…，J-l，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： ???E2??E1eH??(M2g2?M1g1)?(M2g2?M1g1)L (12) chc4?mceH式中L?，称为洛伦兹单位。M的选择定则是 4?mc ?M?M2?M1?0,?1 (13) 脚标2、1分别代表始、终能级，其中?M?0跃迁谱线称为?分支线,?M??1跃迁谱线称~???为?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。?M?0，说明原子跃迁时在磁场方向角动量不变，因此，光是沿磁场方向振动的线偏振光。?M??1，说明原子跃迁时在磁场方向角动量减少一个h，则光子获得在磁场方向的一个角动量h，因此沿磁场指向方向观察，为??反时针的左旋圆偏振光?；同理?M??1，可得顺时针的右旋圆偏振光?。 4．若原子磁矩完全由轨道磁矩所贡献，即S1?S2?0，g1?g2?1，得到正常塞曼效应，波数差为 eH?4.67?10?5H(cm?1) (14) 4?mc通常情况两种磁矩同时存在，即S1?S2?0，则g1和g2均不为1，称为反常塞曼效应，波~? ??数差为 ~?(Mg?Mg) ??2211四、 实验内容 eH (15) 4?mc 1．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L1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5461 ?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，?光和?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?光和?光条纹的直径。注意：由于?光和?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。 五、实验数据处理及误差分析 1、数据 半径 R1 R2 数据 132.789 155.244 P-F：0.2cm 磁场强度：1.08T M2g2-M1g1:0.492 电子荷质比：1.732E11 误差：1.597% 2、误差分析 R3 175.038 R4 286.865 R5 298.267 R6 309.496 a、B值是由多项式拟合而来的，误差较大。 b、外磁场影响。 c、F-P标准具及其它光学器件的光学表面不干净。 d、实验室其他光线影响。

六、实验图像 由实验结果画出Hg 5461?塞曼效应跃迁能级图.

M2g2-M1g1: -2, 3/2, -1； -1/2, 0, 1/2； 1, 3/2, 2 △M=M2-M1: △M=-1 △M=0 △M=+1