西安交大《塞曼效应实验报告》

应物31吕博成学号：2120903010塞曼效应实验报告塞曼效应1896年，荷兰物理学家塞曼（P.Zeeman）在实验中发现，当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线会分裂成几条光谱线，分裂的条数随能级类别的不同而不同，且分裂的谱线是偏振光。这种效应被称为塞曼效应。需要首先指出的是，由于实验先后以及实验条件的缘故，我们把分裂成三条谱线，裂距按波数计算正好等于一个洛伦兹单位的现象叫做正常塞曼效应（洛伦兹单位mceBL4）。而实际上大多数谱线的塞曼分裂谱线多于三条，谱线的裂距可以大于也可以小于一个洛伦兹单位，人们称这类现象为反常塞曼效应。反常塞曼效应是电子自旋假设的有力证据之一。通过进一步研究塞曼效应，我们可以从中得到有关能级分裂的数据，如通过能级分裂的条数可以知道能级的J值；通过能级的裂距可以知道g因子。塞曼效应至今仍然是研究原子能级结构的重要方法之一，通过它可以精确测定电子的荷质比。一．实验目的1.学习观察塞曼效应的方法观察汞灯发出谱线的塞曼分裂；2.观察分裂谱线的偏振情况以及裂距与磁场强度的关系；3.利用塞曼分裂的裂距，计算电子的荷质比eme数值。二．实验原理1、谱线在磁场中的能级分裂设原子在无外磁场时的某个能级的能量为0E，相应的总角动量量子数、轨道量子数、自旋量子数分别为SLJ、、。当原子处于磁感应强度为B的外磁场中时，这一原子能级将分裂为12J层。各层能量为BMgEEB0（1）其中M为磁量子数，它的取值为J，1J，...，J共12J个；g为朗德因子；B为玻尔磁矩（mhcB4）；B为磁感应强度。对于SL耦合）（）（）（）（121111JJSSLLJJg（2）假设在无外磁场时，光源某条光谱线的波数为）（010201~EEhc（3）式中h为普朗克常数；c为光速。而当光源处于外磁场中时，这条光谱线就会分裂成为若干条分线，每条分线波数为别为hcBgMgMEEhcB）（）（112201200~1~~~~LgMgM）（11220~所以，分裂后谱线与原谱线的频率差（波数形式）为mcBegMgMLgMgM4~~~112211220）（）（（4）式中脚标1、2分别表示原子跃迁后和跃迁前所处在的能级，L为洛伦兹单位（BL7.46），外磁场的单位为T（特斯拉），波数L的单位为11特斯拉米。12MM、的选择定则是：0M时为成分，是振动方向平行于磁场的线偏振光，只能在垂直于磁场的方向上才能观察到，在平行于磁场方向上观察不到，但当0J时，0012MM，到的跃迁被禁止；1M时，为成分，垂直于磁场观察时为振动垂直于磁场的线偏振光，沿磁场正方向观察时，1M为右旋偏振光，1M为左旋偏振光。若跃迁前后能级的自旋量子数S都等于零，塞曼分裂发上在单重态间，此时，无磁场时的一条谱线在磁场作用下分裂成三条谱线，其中1M对应的仍然是态，0M对应的是态，分裂后的谱线与原谱线的波数差mceBL4~。这种效应叫做正常塞曼效应。下面以汞的nm1.546谱线为例来说明谱线的分裂情况。汞的nm1.546波长的谱线是汞原子从1376SSS到2366PPS能级跃迁时产生的，其上下能级的有关量子数值和能级分裂图形如表1—1所示。表1—1原子态符号13S23PLSJgMMg01121、0、—12、0、—21223/22、1、0、—1、—23、3/2、0、—3/2、—3可见，nm1.546的一条谱线在磁场中分裂成了九条谱线，当垂直于磁场方向观察时，中央三条谱线为成分，两边各三条谱线为成分；沿磁场方向观察时，成分不出现，对应的六条线分别为右旋和左旋偏振光。2、法布里—珀罗标准具塞曼分裂的波长差很小，波长和波数的关系为2，若波长m7105的谱线在TB1的磁场中，分裂谱线的波长差约只有m1110。因此必须使用高分辨率的仪器来观察。本实验采用法布里—珀罗（PF）标准具。PF标准具是由平行放置的两块平面玻璃或石英玻璃板组成，在两板相对的平面上镀有高反射率的薄银膜，为了消除两平板背面反射光的干涉，每块板都作成楔形。由于两镀膜面平行，若使用扩展光源，则产生等倾干涉条纹。具有相同入射角的光线在垂直于观察方向的平面上的轨迹是一组同心圆。若在光路上放置透镜，则在透镜焦平面上得到一组同心圆环图样。在透射光束中，相邻光束的光程差为cos2nd（5）取1ncos2nd（6）产生亮条纹的条件为Kdcos2（7）式中K为干涉级次；为入射光波长。我们需要了解标准具的两个特征参量是1、自由光谱范围（标准具参数）FSR~或FSR~同一光源发出的具有微小波长差的单色光1和2（21），入射后将形成各自的圆环系列。对同一干涉级，波长大的干涉环直径小，所示。如果1和2的波长差逐渐加大，使得1的第m级亮环与2的第（1m）级亮环重合，则有21）1（cos2mmnd（8）得出m212（9）由于大多数情况下，1cos，（8）式变为12ndm并带入（9）式，得到nd221nd22（10）它表明在PF中，当给定两平面间隔d后，入射光波长在—间所产生的干涉圆环不发生重叠。2、分辨本领定义为光谱仪的分辨本领，对于PF标准具，它的分辨本领为KN（11）K为干涉级次，N为精细度，它的物理意义是在相邻两个干涉级之间能分辨的最大条纹数。N依赖于平板内表面反射膜的反射率R。RRN1（12）反射率越高，精细度就越高，仪器能分辨开的条纹数就越多。利用PF标准具，通过测量干涉环的直径就可以测量各分裂谱线的波长或波长差。参见图2，出射角为的圆环直径D与透镜焦距f间的关系为fD2tan，对于近中心的圆环很小，可以认为tansin，于是有222281212sin21cosfD（13）代入到（7）式中，得KfDndnd）81（2cos222（14）由上式可推出同一波长相邻两级K和）（1K级圆环直径的平方差为ndfDDDKK222124（15）可以看出，2D是与干涉级次无关的常数。设波长a和b的第K级干涉圆环直径分别为aD和bD，由（14）式和（15）式得KDDDDDDKfndKKababba）（）（422122222得出波长差）（2221222KKabDDDDnd（16）波数差）（2122122KKabDDDDnd（17）3、用塞曼效应计算电子荷质比me对于正常塞曼效应，分裂的波数差为mceBL4代入测量波数差公式（17），得）（222122KKabDDDDndBcme（18）若已知d和B，从塞曼分裂中测量出各环直径，就可以计算出电子荷质比。三．试验内容通过观察）（nmHg1.546绿线在外磁场中的分裂情况并测量电子荷质比。1、在显示器上调整并观察光路。实验装置图（1）、在垂直于磁场方向观察和纪录谱线的分裂情况，用偏振片区分成分和成分，改变励磁电流大小观察谱线分裂的变化，同时观察干涉圆环中成分的重叠。（2）、在平行于磁场方向观察纪录谱线的分裂情况及变化。（3）、利用计算机测量和计算电子的荷质比，打印结果。四．原始数据记录：见附页五．数据处理及分析：（1）.计算电子荷质比：①测量圆环直径：见附页图中标注；经过测量可得Dk-1,1=27.2cm;Dk,1=19.6cm;Dk-1,2=28cm;Dk,2=20.6cm;Dk-1,3=28.7cm;Dk,3=21.5cm②计算电子荷质比Dk-1^2-Dk^2=［（Dk-1,1^2-Dk,1^2）+（Dk-1，2^2-Dk,2^2）+（Dk-1,3^2-Dk，3^2）］/3=［（27.2^2-19.6^2）+（28^2-20.6^2）+（28.7^2-21.5^2）］/3cm^2=358.92cm^2Db^2-Da^2=［（Dk-1,2^2-Dk-1,1^2）+（Dk-1,3^2-Dk-1,2^2）+（Dk,2^2-Dk,1^2）+（Dk,3^2-Dk,2^2）］/4=(44.16+39.69+40.2+37.89)/4cm^2=40.485cm^2再取n=1.458(玻璃)，d=1.4mm,c=2.9979×10^8m/s,B=907mT代入公式）（222122KKabDDDDndBcme得：e/m=1.58×10^11C/kg③计算相对误差：电子荷质比的理论计算值为：e/m=1.76×10^11C/kg电子荷质比的相对百分误差为：Er=（1.76×10^11-1.58×10^11）/（1.76×10^11）×100%=10.2%④误差分析：1.测量磁场时霍尔元件可能未与磁场完全垂直而导致测量的磁场偏小而导致误差；2.未能给出法珀腔介质折射率而是使用n=1代替而导致误差；3.在图上找圆心时不够准确而导致误差；4.打印出来的圆环不够清晰以及圆环有一定宽度导致测量直径时产生误差。（2）验证外加磁场强度与电流的线性关系：①磁场随电流变化的数据记录：电流I/A5.605.255.014.524.053.49磁场B/mT11471109109410531003933电流I/A3.022.502.031.441.100磁场B/mT84372059144233533②B-I曲线拟合：将上述数据拟合得到的B-I曲线为：纵坐标单位为mT，横坐标单位为A③结果分析：在电流较低（＜3.5A）时线性关系符合得很好，在误差允许范围内，也过原点，但电流过大时曲线下翘，这是因为做电磁线圈用的材料产生的磁场有饱和值，当达到饱和值后，再增大电流，磁场就不会线性增长了。六．问题回答：1.若法珀腔内外表面平行的话，由内表面反射回的光线将与外表面反射光线平行，可能会发生干涉而影响实验结果。调整技巧：实验时当眼睛上下左右移动时候，圆环无吞吐现象时说明F-P标准具的两反射面基本平行了。当发现未平衡时，利用标准具上的三个旋钮来调节水平。如果当眼睛向某方向移动，观察到干涉纹从中心冒出来时，由干涉公式可得该处的等倾干涉条纹所对应的厚度较大。此时应调节旋扭减小厚度；相反若干涉条纹有吞现象则条纹的级数干涉条纹稳定，无吞吐现象发生。2.答：设空气隙式标准具两板间距为d,固体式标准具两板间距为d’，两板间折射率为n,则d=nd’.3.答：可能出现问题为：（1）测量磁场时霍尔元件可能未与磁场完全垂直而导致测量的磁场偏小而导致误差；（2）未能给出法珀腔介质折射率而是使用n=1代替而导致误差；（3）在图上找圆心时不够准确而导致误差；（4）打印出来的圆环不够清晰以及圆环有一定宽度导致测量直径时产生误差。4.具体应用有：（1）由物质的塞曼效应分析物质的元素组成；（2）用于原子吸收分析；（3）用于稳频激光器的快速移频。（4）在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场。1908年美国天文学家海尔等人在威尔逊山天文台利用塞曼效应，首次测量到了太阳黑子的磁场。激光器的谐振腔可以看作是一个法布里-珀罗标准具。5.这些磁铁简单来说是用来产生Zeeman效应来抑制3390nm激光辐射的，一般成品氦氖激光器的波长都是632.8nm波长的，这两个波长具有相同的激光上能级，并且增益系数与波长的三次方成正比，所以3390nm波长的增益系数远高于632.8nm波长的增益系数，因此要想获得632.8nm的激光辐射必须抑制3390nm辐射。其中加入非均匀磁场的方法就是其中一种。6.塞曼效应的应用：一.由塞曼效应实验结果去确定原子的总角动量量子数J值和朗德因子g值,进而去确定原子总轨道角动量量子数L和总自旋量子数S的数值。（一）,π谱线和σ谱线的分布、间距及条数验证。图11汞546.1nm谱线在磁场中的分裂从实验图像可知，π谱线和σ谱线彼此等距，对称地分布在原来未加磁场时谱线的两旁。原因可如下解释：（１）当