塞曼效应(lmj3)案例.doc

塞曼效应 塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。荷兰物理学家塞曼在1896年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体使光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。塞曼效应是继法拉第磁致旋光效应之后发现的又一个磁光效应。这个现象的发现是对光的电磁理论的有力支持，证实了原子具有磁矩和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子结构有更多了解，特别是由于及时得到洛仑兹的理论解释，更受到人们的重视，被誉为继X射线之后物理学最重要的发现之一。1902年，塞曼与洛仑兹因发现塞曼效应而共同获得了诺贝尔物理学奖。 【实验目的】 证实原子具有磁矩和空间取向量子化。 应用实验的方法，求洛仑兹单位值，并与理论值比较。 【实验仪器】 电磁铁及电源 交直流高斯计 调压器 汞灯 法布里—珀罗标准具 小型摄谱仪 测量显微镜 【实验原理】 当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条谱线分裂成波长很靠近的几条偏振化的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同，这种现象称为塞曼效应。 塞曼效应实验是研究原子的光谱在磁场中受磁场影响而变化的实验。根据原子所处的磁场强度不同谱线分裂的条数不同，塞曼效应由于历史的习惯可分为正常塞曼效应和反常赛曼效应。通常一条谱线分裂条数为三条的效应叫正常塞曼效应(可以用经典理论加以解释)，多于三条的叫反常塞曼效应（只能用量子理论解释）。反常塞曼效应通常发生在磁场很弱或者磁场很强的条件下。塞曼效应是由于原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩共同受到磁场的作用而产生的，因此它进一步证实了原子具有磁矩和空间取向量子化。通过本实验可以进一步认识原子的内部结构。 原子的总磁矩 塞曼效应是由于原子的内部磁矩受外磁场的作用而产生的，而原子中的电子又具有轨道运动和自旋运动，所以电子有轨道角动量PL和自旋角动量PS ，有轨道磁矩L和自旋磁矩S 。在忽略核磁矩的情况下，PL与PS合成总角动量PJ ，L与S合成总磁矩，见图(1) 我们已知：轨道角动量 自旋角动量 轨道磁矩 自旋磁矩 由于 和S / PS 的值不同所以总磁矩不在总角动量的延长线上，而是绕PJ的延长线旋进。由于只有在的方向的投影L对外的平均效果不为零，经过矢量叠加后，得到有效总磁矩J为： （1） （L S耦合） g成为朗德因子，表征了原子总磁矩与总角动量的关系，而且决定了能级在磁场中分裂的大小。 2．外磁场对原子能级的作用 原子的有效总磁矩在外磁场中受到力矩 的作用。 力矩r使总角动量PJ变化，进而使有效总磁矩发生旋进。如图（2）所示旋进引起了附加能量。 （2） 由于J或PJ在磁场中的取向是量子化的，也就是PJ在磁场方向分量是量子化的，它只能取的整数倍，即： PJ cos = M = M （3） M称为磁量子数， = J ，（J—1），…… —J 共个数值。 将（3）代入（2）式，则有： （4） （4）式说明在稳定磁场作用下，附加能量有个可能数值，即无磁场时的一个能级在磁场作用下可分裂为个子能级，而子能级的附加能量正比于外磁场，正比于朗德因子g。 3．塞曼效应的选择定则： 设某一光谱线由能级E2和E1间跃迁产生，则光谱频率： 在外磁场作用下，E2分裂为个，E1分裂为个，附加能量分别为和， 新谱线频率为： 分裂谱线频率差为： 波数 ∴ （5） 称为洛伦兹单位 选择定则： ， 偏镇定则： ΔM 横效应（垂直于磁场观察） 纵效应（平行于磁场观察） 0 π成分（线偏振，电矢量与磁场平行） 观察不到 +1 σ成分（线偏振，电矢量与磁场垂直） 右旋偏振光 -1 σ成分（线偏振，电矢量与磁场垂直） 左旋偏振光 4．Hg 5461?谱线的塞曼效应 本实验以水银（Hg）放电管为光源，研究它的绿色强光谱5461 ?的塞曼效应。该谱线是由6S7S3S1到6S6P3P2跃迁的结果，根据（5）式和选择定则，偏镇定则可求它的塞曼分裂。 表（1）中列出3S1和3P2能级的各项量子数g、M和Mg的数值：