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塞曼效应

塞曼效应. 塞曼　 P.Zeeman 1865-1943 　　　荷兰物理学家. 实验背景. 塞曼效应是继法拉第 1845 年发现旋光效应 , 克尔 1875 年发现电克效应和 1876 年发现克尔磁光效应之后，由荷兰物理学家塞曼于 1896 年发现的又一个磁光效应。法拉第旋光效应和克尔效应的发现在当时引起了众多物理学家的兴趣。 1862 年法拉第出于 “ 磁力和光波彼此有联系 ” 的信念 , 曾试图探测磁场对钠黄光的作用 , 但因仪器精度欠佳未果。.

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塞曼效应

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  1. 塞曼效应 塞曼　P.Zeeman 1865-1943 　　　荷兰物理学家

  2. 实验背景 塞曼效应是继法拉第1845年发现旋光效应,克尔1875年发现电克效应和1876年发现克尔磁光效应之后，由荷兰物理学家塞曼于1896年发现的又一个磁光效应。法拉第旋光效应和克尔效应的发现在当时引起了众多物理学家的兴趣。1862年法拉第出于“磁力和光波彼此有联系”的信念,曾试图探测磁场对钠黄光的作用,但因仪器精度欠佳未果。

  3. 塞曼在法拉第的信念的激励下,经过多次的失败,最后用当时分辨本领最高的罗兰凹面光栅和强大的电磁铁,终于在1896年发现了钠黄线在磁场中变宽的现象,后来又观察到了镉蓝线在磁场中的分裂。塞曼在法拉第的信念的激励下,经过多次的失败,最后用当时分辨本领最高的罗兰凹面光栅和强大的电磁铁,终于在1896年发现了钠黄线在磁场中变宽的现象,后来又观察到了镉蓝线在磁场中的分裂。 • 　　塞曼在洛仑兹的指点和洛仑兹经典电子论的指导下,解释了正常塞曼效应和分裂后的谱线的偏振特性,并且估算出的电子的荷质比与几个月后汤姆逊从阴极射线得到的电子荷质比相同。塞曼效应不仅证实了洛仑兹电子论的准确性,而且为汤姆逊发现电子提供了证据。也证实了原子具有磁矩并且空间取向是量子化的。1902年洛仑兹和塞曼因此而共享了诺贝尔物理学奖。

  4. 实验目的 本实验通过高分辨率的分光器件法布里-珀罗观察5461 汞绿线在磁场中的分裂并测量分裂谱线的波数差等物理量。 1、加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理 学概念的理解 2、学习法布里-珀罗标准具和CCD器件在光谱测量中的应用

  5. 实验原理 塞曼效应的产生是原子磁距与外加磁场作用的结果。根据原子物理理论，原子中的电子既作轨道运动又作自旋运动。原子的总轨道磁距 与总轨道角动量 的关系为： (1)

  6. (2) • 原子的总自旋磁矩 与总自旋角动量 的关系为： 原子的轨道角动量和自旋角动量合成为原子的总角动量 ，原子的轨道磁距和自旋磁距合成为原子的总磁距。 • J称为原子的有效磁矩大小由下式决定 (3)

  7. 对于LS耦合有 在外磁场的作用下,原子总角动量PJ和磁距J绕磁场方向进动，原子在磁场中的附加能量E如（5）式。 (4)

  8. 角动量在磁场中取向是量子化的，如（6）式所示，这样附加能量又可表示为（7）式 (5) (6) (7)

  9. 附加能量不仅与外磁场B有关，还与朗德因子g有关。磁量子数M共有2J+1个值，因此原子在外磁场中时原来的一个能级将分裂成 2J+1个子能级。 未加磁场时，能级E2和E1之间跃迁产生的光谱线频率为 • 在磁场中，分裂后谱线频率为ˊ分裂后的谱线与原谱线的频率差 为

  10. (8) (9) 令L=eB/ （4πmc） （B的单位取Gs）,L称为洛仑兹单位。磁量子数M的选择定则为 但是，并非任何两个能级的跃迁都是可能的。

  11. 当 , 时除外 ①．当 时，产生 线，沿垂直于磁场的方向观察时，得到光振动方向平行于磁场的线偏振光。沿平行于磁场的方向观察时，光强度为零，观察不到。 ②．当Δ 时，产生 线，合称 线。沿垂直于磁场的方向观察时，得到的都是光振动方向垂直于磁场的线偏振光。当光线的传播方向平行于磁场方向时 线为一左旋圆偏振光， 线为一右旋圆偏振光。当光线的传播方向反平行于磁场方向时，观察到的 和 线分别为右旋和左旋圆偏振光。

  12. σ线和π线的偏振特性见上图,塞曼效应分为正常塞曼效应和反常塞曼效应。汞绿线是6s7s2s1能级到6s6p3P2能级跃迁产生的谱线。这两个能级的分裂情况及对应的量子数M和g表示见下图。σ线和π线的偏振特性见上图,塞曼效应分为正常塞曼效应和反常塞曼效应。汞绿线是6s7s2s1能级到6s6p3P2能级跃迁产生的谱线。这两个能级的分裂情况及对应的量子数M和g表示见下图。

  13. 上能级6s7s2s1分裂为三个子能级，下能级分裂为五个能级，选择定则允许的跃迁共有九种。因此，原来的 谱线将分裂成九条谱线。分裂后的九条谱线是等距的，间距都为二分之一的洛仑兹单位，九条谱线的光谱范围为4个洛仑兹单位。各线段的长度表示谱线的相对强度。

  14. N S 7 5 6 3 4 1 2 9 8 0 实验装置

  15. 实验步骤 1、按图调节光路，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，光源通过聚光镜以平行光入射法—珀标准具，出射光通过会聚透镜成像于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-珀标准具的三个螺丝，使左右上下移动入眼时对着法—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。

  16. 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π光和σ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π光和σ光条纹的直径。注意：由于π光和σ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。

  17. 数据处理 • 1、由公式 计算出电子的荷质比，并和理论值比较算出相对误差。其中В是外加磁场强度。当给直流电磁铁加上一定的电流时，就有一定的磁场В,实验可以用毫特斯拉记测量。是当外加磁场时同级相邻裂变环之间的波数差。 （10）

  18. 2、由公式 计算出同级的两个波数差，要求测两个级次四个波数差。 （11）

  19. 思考与讨论 1、实验中如何观察和鉴别塞曼分裂谱线中的 成份和 成份？如何观察和分辨 成份中的左旋和右旋圆偏振光？ 2、调整法布里——珀罗标准具时，如何判别标准具的两个内平面是严格平行的？标准具调整不好会产生怎样的后果？

  20. 山 西 大 学 物 理 实 验 中 心 唐晋娥 E-mail：tangje@sxu.edu.cn

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