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《2016年-近代物理实验(II)讲义-2016》.doc
近代物理实验(ⅠⅠ)
实
验
讲
义
华中科技大学物理学院实验教学中心
2013年4月
目 录
实验1:塞曼效应与法拉第效应……………………………………………2
实验2:光泵磁共振…………………………………………………………20
实验3:材料形貌及光学性质表征…………………………………………32
实验4:集成运算放大器的基本应用………………………………………44
实验1: 塞曼效应与法拉第效应
【实验目的】
通过实验加深对光、场、物质之间的相互作用的理解;
掌握观测塞曼效应的方法,加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理学概念的理解;
了解法布里-珀罗标准具的工作原理与调节使用方法。
【实验内容】
用毫特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感应强度,分析线性范围;
观察汞原子546.1nm谱线的分裂现象以及它们偏振状态,计算电子荷质比;
利用已有的仪器设备,设计实验方法测量样品的费尔德常数,并做误差分析。
【课前预习】
阅读本讲义所附的实验原理与补充基础理论,深刻理解塞曼效应和法拉第效应的原理;
思考塞曼效应实验装置各部件的作用,了解观察塞曼效应的原理与方法。
【实验原理】
塞曼效应实验
1)原子能级的精细结构及塞曼分裂
塞曼效应是同一原子能级上不同量子态在量子轴(如磁场方向)上的磁矩投影具有不同的期望值,因而在外磁场作用下发生能级分裂的现象。
以氢原子为例,在不考虑电子自旋时,其量子态由主量子数,角量子数和磁量子数标记,能量本征值只与主量子数有关,因而是度简并的。电子轨道角动量的大小由角量子数决定,;角动量在量子轴上的投影由磁量子数决定,,。原子磁矩来源于电子的轨道运动,与轨道角动量之间的关系为:
(1)
式中,分别表示电子电荷和电子质量。轨道磁矩在量子轴上的投影为:
(2)
在外磁场中(磁场沿z方向),原子磁矩与磁场的相互作用能为:
(3)
由此可见,角量子数为的简并激发态能级在磁场中会分裂成个能级,其向基态的跃迁谱线会发生相应的分裂,这就是简单塞曼效应。
实际上,电子具有自旋,自旋量子数为,总角动量为自旋角动量与轨道角动量之和,总角动量量子数取或。电子自旋与轨道运动之间存在源于相对论效应的相互作用,自旋-轨道相互作用可表示为,式中为电子的轨道角动量,为自旋角动量,为作用常数。自旋轨道相互作用下,自旋角动量与轨道角动量是守恒量,但它们在量子轴(z轴)上的投影不再是守恒量。总角动量及其在量子轴上的投影是守恒量。因此,量子态可用主量子数,轨道角动量量子数,总角动量量子数,磁量子数标记。计入自旋-轨道相互作用后,原子的能量本征值不止与主量子数有关,而且与和相关,但与无关。可见,在自旋轨道相互作用下,能级的简并度部分解除,这就是原子能级的精细结构。同时,因为可取到的个值,精细结构能级仍然是是度简并的。在外磁场下,能级简并会进一步解除,这就是反常塞曼效应。
下面我们借助矢量模型(图1)来分析同一精细能级上不同量子态的磁矩。在矢量模型中,自旋角动量与轨道角动量具有恒定值,分别绕总角动量进动,总角动量也以恒定值绕量子轴进动。原子磁矩来源于电子轨道运动产生的轨道磁矩和电子自旋产生自旋磁矩,轨道磁矩与轨道角动量之间的关系为:
(4)
图1:角动量与磁矩的矢量模型
自旋磁矩和自旋角动量有如下关系:
(5)
在矢量模型中,轨道磁矩与自旋磁矩均以总角动量方向为轴进动,由于与各自角动量之间的比例关系不一样,合成总磁矩并不与总角动量平行,也是以总角动量方向为轴进动。总磁矩在总角动量方向的投影为恒定值,但在量子轴上的磁矩分量并不是恒定值,而是平均值(期望值)。计算表明,总磁矩在总角动量方向的投影与总角动量的关系为:
(6)
其中:
(7)
称为朗德(Lande)因子。
在外磁场中,原子的磁矩与磁场相互作用产生附加的能量为:
(8)
为与量子轴(磁
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