塞曼效应实验

中国石油大学近代物理实验实验报告成绩：班级姓名：同组者：教师：塞曼效应实验【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BMgEB（3-3-1）)1(2)1()1()1(1JJSSLLJJg（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。对于LS耦合，当J一定时，磁量子数M只能取J，J-1，J-2，…，-J，共（2J+1）个值。所以，无磁场时的一个能级，在外磁场的作用下将分裂成（2J+1）个等间隔的子能级，能级间距为BgB。无外磁场时，能级E1和E2之间的跃迁产生频率为ν的光，即12EEh。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BgMgMhEEEEhB11221122(3-3-3)分裂后谱线与原谱线的频率差为hBgMgMB1122（3-3-4）代入波尔磁子m4heB得到m4eBgMgM1122（3-3-5）若用波数表示，则mceBgMgM41122（3-3-6）引入洛伦兹单位11Tm7.46Bmc4eBL，则LgMgM1122（3-3-7）2、观测塞曼分裂的方法塞曼分裂的波长差很小，一般的摄谱仪器是无法分辨的，必须采用分辨率较高的干涉型谱仪，如迈克尔迅干涉仪、法布里一波罗（Fabry—Perot）标准具等。实验中，我们采用法布里—波罗标准具，其简称F—P标准具。图3-3-2F—P标准具结构与光路图F—P标准具的光路如图3-3-2所示。自扩展光源S上任一点发出的单色光射到标准具板的平行平面上，经过M1和M2表面的多次反射和透射，分别形成一系列相互平行的反射光束1、2、3、4、…和透射光速l´、2´、3´、4´、…，在透射的光束中，相邻两光束的光程差为cos2nd，这一系列平行并有确定光程差的光束在无穷远处或透镜的焦平面上成干涉像。当光程差为波长的整数倍时产生干涉极大值。一般情况下F—P标准具反射膜间是空气介质，1n，因此干涉极大值为kdcos2(3-3-8)k为整数，称为干涉级。由于F—P标准具的间隔d是固定的，在波长λ不变的情况下，不同的干涉级对应不同的入射角θ，因此，使用扩展光源时，F—P标准具产生等倾干涉，干涉条纹是一组同心圆环。中心圆环级次最大，dk2max，级次越向外越小。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：fD2tan对于近中心的圆环，θ很小，tan，所以222281212sin21cosfD代人（3-3-8）式得kfDd22812（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dfDDDkk222124（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2212222kkababDDDDd（3-3-11）用波数表示2212221kkababDDDDd（3-3-12）由于F－P标准具间隔圈厚度d比波长λ大得多，中心处圆环的干涉级数k是很大的，因此用（k-2）或（k-3）等近中心圆环代替k或（k-1）引入的误差可忽略不计。用F－P标准具观测塞曼分裂，计算荷质比me根据（3-3-7）式，对于正常塞曼效应分裂的波数差为mceBL4代人（3-3-12）式，得221222kkabDDDDdBcme（3-3-13）对于反常塞曼效应，分裂后相邻谱线的波数差是洛伦兹单位L的某一倍数，注意到这一点，用同样的方法也可计算电子荷质比。【实验装置】1、光源2、电磁铁3、会聚透镜4、偏振片5、干涉滤光片6、F—P标准具7、CCD摄像机8、计算机【实验数据处理】图1.π线图图2.σ线图图3.π线与σ线共存图未加磁场时，能级不发生分裂，电脑显示的干涉条纹是一组同心圆环。加磁场后，Hg（546.1nm）绿线发生塞曼分裂，转动偏振片，偏振片角度与σ线平行时，会看到分裂图样为三条的σ线，偏振片与π线平行时会看到六条的π线，当两条线在偏振片方向投影均不为零时σ线与π线共存的九条分裂谱线。图4.π成分的塞曼分裂条纹的处理分析图磁场B=1.15T得荷质比为kgCme/1079.1/11相对E=（1.83-1.79）/1.79×100%=2.23%误差分析：实验误差可能是由于F-P标准具未调节平行，图像模糊选点不准确，产生测量误差。外界电磁场的干扰，以及实验仪器本身存在一定的误差。【思考题解答】1、如何鉴别F—P标准具的两反射面是否严格平行，如发现不平行应该如何调节？答：在计算机显示器上若出现清晰的明暗相间胡的圆环则两反射面严格平行，否则就不严格平行。若联平行则调节F—P标准具后面的三个螺丝，先固定一个调另外两个，使显示器上出现清晰的明暗相间胡的圆环，从而精确调节两玻璃板内表面之间的平行度。2、F—P标准具与牛顿环装置、迈克尔逊干涉仪在工作原理和干涉图样上有何区别？答：牛顿环是一种用分振方法实现的等厚干涉现象，是一些明暗相间的同心圆环。迈克尔逊干涉仪是一种分振幅双光束干涉仪，用屏观察干涉花样时，取不同的空间位置和空间取向，原则上可以观察到圆、椭圆、双曲线和直线条纹。塞曼效应所产生的干涉图中，每级产生3条条纹，中间的级数最小。而牛顿环中间级数最大。【总结反思】通过本次对塞曼效应的观测，我学会了测量塞曼效应的实验方法，并计算得出了磁场中谱线裂距并和荷质比。本次试验的重点与难点是对仪器调节，要想试验成功需要先调节出清晰的无磁场曲线，从而才能在后面的计算中减少麻烦，提高实验的准确性和精确性。关于本次试验，在运用软件算荷质比的过程中，我认为在去点画圆的过程中那九个圆都可以同时进行圆心修正，从而可以减小画圆过程中点点的误差，进而提高实验的精度，也减小了试验操作的难度。