塞曼效应

1. 近代物理实验 塞曼效应 ——电科091吴建国 09461127 指导老师：李峰

2. 塞曼效应的简介： • 塞曼效应是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的.他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂。随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成3条的原因。这种现象称为“塞曼效应”。 • 塞曼效应是继1845年法拉第效应和1875年克尔效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例。塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场。

3. 实验目的 • 1.掌握塞曼效应理论，测定电子荷质比，确定能级的量子数与朗德因子，绘出跃迁的能级。 • 2.掌握法布里——珀罗标准具的原理及应用、CCD摄像器件在图像传感器中的应用。 • 3.熟练掌握光路的调节。

4. 【实验原理】 一、塞曼效应 （1）原子中的电子一方面绕核作轨道运动动量PL，一方面本身作自旋运动‘将分别产生轨道磁矩与自旋磁矩，它们与角动量的关系是： 原子的有效磁矩，它大小由下式决定： g称为朗德因子

5. （2）在外磁场作用下，原子总角动量PJ和绕磁 场方向进动，如图所示，产生原子磁矩与外 磁场的相互耦合，赋予的耦合能量为： 由于角动量在磁场中取向是量子化的，有 ， M=J, J-1, …, -J 式中，。未加磁场时，能级E2和E1之间跃迁产 生得光谱线频率为：

6. （3）光的偏振 时，产生 光， 光是光振动平行于磁场方向的线偏振光。当垂直于磁场方向观察时（横效应），如偏振片平行于磁场，将观察到 的光。 ，产生 光，沿着磁场方向观察时，如将偏振片垂直于磁场， 光为圆偏振光， 为反时针的左旋圆偏振光 ，同理， 可得顺时针的右旋圆偏振光 。如图3所示。 磁场 磁场 图 光的偏振

7. （4）若原子磁矩完全由轨道磁矩所贡献，即S1 = S2 = 0，g1 = g2 = 1，原来波数为 的一条谱线，将分裂成波数为, ， ， , 三条偏振化的分谱线， ，为一个洛仑兹单位，我们称为正常塞曼效应 （cm-1） 实际上，正常塞曼效应仅仅是个特例，通常情况两种磁矩同时存在，即 ， ， ，称为反常塞曼效应，波数差为

8. （5）塞曼效应是中等磁场（B ≈ 1特斯拉）对原子作用产生的效应。这样的场强不足以破坏原子的LS耦合，当磁场较强（B为几个特斯拉）时将产生帕刑—拜克效应。弱磁场（B < 0.01特斯拉）时则应考虑核自旋参与耦合。塞曼效应证实了原子具有磁矩与空间量子化。实验观测与理论分析的一致性是对磁量数选择定则的有效性的最好的实验证明，也是光子的角动量纵向分量有三个可能值（ ，0，- ）的最好证明。由塞曼效应的实验结果确定有关原子能级的量子数M, J与g因子值，可判断跃迁能级哪一个是上能级和另一个是下能级，并可计算出L与S的数值，这些确定均与实验所用原子无关，因而是考察原子结构的最有效的办法。

9. 汞原子的塞曼效应 【实验器材】 1—笔形汞灯 2—光具座 3—永磁铁 4—聚光透镜 5—偏振片 6—滤光片 7—固体F-P标准具 8—虚线框内为ZM2000A CCD采集分析系统 9—磁铁移动手枪

10. ZM2000 B2型塞曼效应实验的光路图 计算机数据采集盒用USB接口与计算机相连，同时以DB15插座通过电缆线与CCD采集盒相连。计算机数据采集盒上有一个12位的A/D转换器，也就是说可以把CCD器件上每一个光敏单元上的光强信号分成4096个灰度等级。空间分辨率与所使用的CCD光强仪的型号有关，在7μm~14μm 之间，详见CCD采集盒的铭牌。数据采集盒对计算机要求不高，586最小配置，有USB接口就可以了。

11. 【实验内容】 （1）参照上面的结构图将各个器件安装好。 （2）打开笔形汞灯的电源，汞灯通电后，亮度会逐步提高，此稳定过程约需一两分钟，打开计算机的电源，运行ZEEMAN软件； （3）转动磁铁移动手轮，将汞灯置于磁场两极的中间，此时磁场强度最大，越远离此位置，磁场强度越小，且均匀性也变差； （4）分以下几步 （a）调节光路，使各光学器件同轴、等高，使光束通过每个光学元件的中心。2，调节聚光透镜4的位置，尽可能使强度均匀的光束落在F-P标准具上。

12. （b）聚光透镜的位置对分裂曲线的影响很大，将聚光透镜安放在横向可调的马鞍坐上，汞灯与聚光透镜立杆的距离一般在180mm左右，此值如减小,则观察到的分裂级次减少而信号较强,如增大,则相反，实验要求至少5个干涉级可测。汞灯与标准具立杆的距离一般在390mm左右。ZM2000A的镜头紧靠标准具（加遮光罩）；（b）聚光透镜的位置对分裂曲线的影响很大，将聚光透镜安放在横向可调的马鞍坐上，汞灯与聚光透镜立杆的距离一般在180mm左右，此值如减小,则观察到的分裂级次减少而信号较强,如增大,则相反，实验要求至少5个干涉级可测。汞灯与标准具立杆的距离一般在390mm左右。ZM2000A的镜头紧靠标准具（加遮光罩）； （c）ZM2000A的镜头筒上有一道细刻线，转动镜头与之平齐，就可大致调到焦距的位置，再略做细调，使软件得到幅度最大，细节最清楚的曲线。

13. （d）ZM2000A中的线阵CCD器件是沿竖直方向安装，（d）ZM2000A中的线阵CCD器件是沿竖直方向安装， 故对上下位置上的光线敏感，要仔细调节F-P标准具 和ZM2000A的镜头的仰角旋钮，使两者等高，软件得 到对称的分裂曲线。 反复调节聚光透镜的位置，ZM2000A镜头和标 准具的仰角，使软件得到左右对称的足够多级次 （大于5级）细节清楚的分裂曲线。 （5）转动偏振片，分别得到π光和σ光分裂曲线； （6）参阅附录2完成实验数据的测量。

14. 【注意事项】 （1）使用中有以下问题需要注意： （a）用ZM2000A采集测量时，如无暗室环境，请用遮光罩连接标准具座和ZM2000A的镜头座，否则信号会饱和，曲线一直呈现为计算机屏幕顶部的一条直线； （b）汞灯对人眼有害，实验中请勿直视汞灯； （c）实验中请勿将手表等易受磁场影响的物品靠近永磁铁。 （2）仪器的保养请注意如下： （a）实验结束后，请将各光学器件用套子罩好，以免落灰； （b）各光学器件镜面不要用手触摸，如需清洁，可用洁净的脱脂棉球蘸上酒精轻轻擦拭； （c）避免频繁开关笔形汞灯以提高使用寿命。

15. 【实验结果】

16. 数据处理：

17. 实验感想： • 这次实验我们做的时候实际上已经降低了难度，实验内容中的第一步安装器件在我们做之前已经被好心的老师安装好了，我们就是在看懂原理之后直接做了。 • 实验过程中在用ZM2000A采集数据时，开始不知道怎么操作，后来在我和队友朱赛健的摸索讨论下，还有唐磊同学的指导下，我们才顺利地完成了实验。 • 所以要感谢老师的指导，还有我的队友朱赛健和指导我们的唐磊。