塞曼效应实验报告

1塞曼效应【摘要】本实验运用法布里—珀罗标准具分光，观测Hg绿线（546.1nm）的塞曼分裂现象。先标定磁场的B-I曲线，判断电磁铁的性质，再利用法布里—珀罗标准具进行分光，观察Hg绿线（546.1nm）的塞曼分裂情况，利用测量的数据计算自由光谱区和对应电流下的磁场。关键词：塞曼效应、法布里—珀罗标准具、能级分裂、量子跃迁一.引言1896年荷兰物理学家塞曼发现如果把光源置于足够强的磁场中，光源发出的谱线发生变化，单条谱线分裂为多条，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。荷兰物理学家洛仑兹应用经典电磁理论对这种现象进行了解释。他认为，由于电子存在轨道磁矩，并且磁矩方向在空间的取向是量子化的，因此在磁场作用下能级发生分裂，谱线分裂成间隔相等的3条谱线。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映角动量耦合作用的朗得因子等原子结构信息有重要的作用。塞曼和洛仑兹因为这一发现共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。二．实验原理1.塞曼效应按照半经典模型，质量为m，电量为e的电子绕原子核转动，因此，原子具有一定的磁矩，它在外磁场B中会获得一定的磁相互作用能ΔE，由于原子的磁矩JJP的关系为JSJSLJLJPmeg2coscos（公式1）其中的朗德因子为：)1(2)1()1()1(1gJJSSLLJJ（公式2）由于J一定时，M有2J+1个可能的取值，所以，原子在外磁场中，每一个0J的能级都分裂为2J+1个子能级，被称为磁能级。同一能级分裂的磁能级间距相等，为BBg。2对于不同的能级来说，如果它们的朗德因子g不同，则磁能级间距不同。原子能级产生磁分裂后，各磁能级之间的跃迁要准守选择守则：禁戒）时，（，禁戒）（，000100010MMJMJJJ0M时，在垂直于磁场方向上，可观察到电矢量平行于磁场方向的线偏振光；在平行于磁场方向上，观察不到谱线，观察到的为线1M时，在垂直于磁场方向上，可观察到电矢量平行于磁场方向的线偏振光；在平行于磁场方向上观察到的都是圆偏振光，观察到的为线能级21EE的跃迁辐射产生塞曼效应分裂后，各跃迁能级与无磁场时跃迁辐射的波数之差。)ggmc4e2211MMB（)]()[(~122121MMgMggL（公式3）其中BBL467.0mc4e~（公式4）称为洛伦兹单位，习惯上L~的单位为1-cm2.Hg绿线（546.1nm）的塞曼分裂现象图1Hg绿线（546.1nm）的塞曼分裂谱线此分裂为反常塞曼效应。3.法布里—珀罗标准具3塞曼分裂的波长差非常小，普通的棱镜摄谱仪不能胜任，用分辨本领高的光谱仪器，大部分塞曼效应的实验仪器选择法布里—珀罗标准具（简称F-P腔）F-P标准具是由两块玻璃板和夹在中间的一个间隔圈组成。平面玻璃板是平整的。标准具光路图如下图所示，当单色光束以一小角度入射到标准具的M表面上，光束在M和M两表面经过多次反射与透射，分别形成一些列的相互平行的反射光束1,2,3以及透射光束321，，图2F-P标准具的多光束干涉任何相邻光束的光程差是一样的，即：ndcos2（公式5）其中d为两平行板之间的间距，大小为2nm，为光束折射角，n为平行板介质的折射率。考虑两束具有微小波长差的单色光1和2（,,2121）。1和2和=的光强极大值对应于不同的入射角1和2，所有的干涉序形成两套花纹，如果1和2的波长差逐渐加大，使得2的K序花纹与1的（K-1)序花纹重合，当：12)1KK（考虑到靠近干涉圆环中央处的都很小，因而d2K所以：d2-221d21~（公式6）或~定义为标准具的色散范围，又称自由光谱区范围，给出了靠近干涉圆环中央处不同波长差的干涉花纹不重序时允许的最大波长差。4三．实验内容1.计算F-P腔的自由光谱区，计算汞绿线的塞曼分裂间距，用洛伦兹单位L表示2.标定磁场的B-I曲线（1）电流上升和下降时各标定一次，电流的取值范围为0-5A（2）画出实验B-I曲线，确定实验线性范围，确定实验中B的取值范围3.调节光路（1）测量两个凸透镜的焦距，选择其一作为会聚透镜，另一个为成像透镜，并说明理由（2）调整导轨位置，放入准直透镜，调节透镜与光源的距离，以获得准直光（3）放入其他光学元件，调节光路当在目镜中观察到清晰的，圆环状干涉条纹后，说明光路已满足要求。图3光路图F-P腔的平行度条件：用眼睛直接观察F-P腔的出光面，上下、左右移动眼睛，如果有明显的干涉条纹从中心环冒出或吞没说明标准具表面不平行，请老师帮助调节。4.光谱测量（1）设计测量表格（2）加磁场，观察谱线的分裂，确定电磁铁电流的取值范围（3）在目镜中观察偏振特性（记录偏振角），可用手机拍照（4）选取3-5给的磁场电流值，记录各分裂谱线位置（可选1-2个K值），利用公式计算各谱线的分裂间距，计算得到磁场B（5）做B-I图，并与上面的标定曲线比较并分析原因。5四、实验结果分析讨论1.B-I测量图4磁场在电流上升和下降时的B-I曲线分析：电磁铁在电流上升的B-I曲线与电流下降时的B-I曲线基本重合，据此判断此电磁铁为软磁，可利用图线和测得的数据计算B。在0-3.4A的范围内B-I成线性关系。2.图5无磁场时视野内条纹分析：当I=0A时，视野内呈现多个绿色的同心圆环。圆环的直径差随着圆环序列的增大而减小。6图6I=2.2A时仅显示线3.测量并计算BLD和、~2电流1（mm）2（mm）3（mm）圆心（mm）2D（2mm）L~（1-cm）B（T）0A0.4901.9405.0603.50026.512.4A0.9152.355.383.86525.60.360.7703.2A0.3501.824.833.325.750.4771.020分析：不论磁场多大，自由光谱区都在25-272mm之间，由此可认为在误差允许范围内，自由光谱区不变，符合公式推导结果，自由光谱区与磁场无关是由标准具本身决定的。分析：可以看出磁场计算值误差较大，但上升趋势相近。误差原因：1.条纹有一定宽度，且边缘不清晰，测量存在误差。2.观察者本身视力不佳，测量时视野较暗，可能存在较严重的测量误差。3.仪器本身存在一定测量误差。7五、结论和建议结论：本实验通过本实验运用法布里—珀罗标准具，测量Hg绿线（546.1nm）的塞曼分裂现象。通过实验观察到的谱线分裂现象较为明显，通过改变电流改变电磁铁的磁场强度，可明显的观察到谱线的分裂。并通过测量谱线可以计算出磁场的大小，但本次实验结果误差较大。建议：在测量时先把视野调亮，确定谱线和坐标的大体位置，再调暗使谱线较为清晰。测量时，测微目镜刻度较难辨别，可能造成较大误差。本次实验使用手机拍照，手机镜头很难找到拍摄清晰的角度，并且手稍抖动，就拍不到图了。建议增加辅助的比较稳固的拍照设备。六、参考文献[1]熊俊.近代物理实验.北京.北京师范大学出版社.2007年3月[2]近代物理实验补充讲义.北京.北京师范大学物理学系实验教学中心[2].姚启钧.光学..北京.高等教育出版社.2002