塞曼效应及其拓展 .doc

塞曼效应及其拓展 摘要：本文简要介绍了塞曼效应的实验目的、方法以及不同磁场方向下的结果和结论，并从原子跃迁的选择定则出发，根据角动量守恒定律推出光子的自旋角动量方向，分析了光子的自旋与偏振性的联系，较具体的解释了塞曼效应的偏振性。 关键词：塞曼效应，F-P标准具，横、纵效应，偏振性 引言： 塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。荷兰物理学家塞曼于1896年发现：把光源放在足够强的磁场中，原来的一条光谱线分裂为几条偏振的子谱线，分裂的条数随能级的类别而不同，这种现象称为塞曼效应。 塞曼效应是继法拉第磁致旋光效应之后的又一个磁光效应。这一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，同时有力地证明了电子自旋假设是正确的，能级的分裂是由于电子的轨道磁矩和自旋磁矩相互作用的结果。 塞曼效应的重要性在于可以得到有关能级的数据，从而计算出原子总动量量子数J和朗德因子g。因此，至今塞曼效应实验仍是研究原子内部能级结构的重要方法之一。 本实验主要是应用高分辨率的分光仪器法布里泊罗标准具（简称F-P标准具）观察汞（546.1nm）的谱线，测得其分裂的波长差，并计算出电子荷质比。 理论与实验部分： 一、实验原理 原子中电子的磁矩和角动量 总磁矩，其中为轨道磁矩，为自旋磁矩，为玻尔磁子，。 当有外磁场时，原子中总磁矩只有平行于J的分量起作用，即有效磁矩，用表示。，其中g为朗德因子， 塞曼效应 在外磁场中，磁矩具有一个附加取向势能 ，其中MJ可以取2J+1个整数值。因此，外磁场中的一个能级，在磁场的作用下因具有2J+1个附加能量而分裂成2J+1个支能级，相对于原来的能级移动。 设某光谱线是由能级E1和E2跃迁产生的，则其谱线的频率有： 。 在外磁场作用下，从上能级各子能级到下能级各子能级跃迁产生的光谱线的频率为，则： 因此，有磁场时的谱线与原谱线的频率差为： 以波数差表示： ，其中称为洛伦兹单位，L=46.68B/M，B的单位特斯拉（T）。 选择定则 ，但是不同时为0 当时，为成分，沿磁场方向不可见。 当时，为成分，垂直磁场观察时为线偏振光。 F-P标准具 在透镜的焦平面上发生干涉，光程差为波长的整数倍时产生干涉极大值： 。不同的干涉级数m对应不同的入射角。在扩展光源的照明下，F-P标准具产生等倾干涉，干涉条纹是一组同心圆环。 二、实验装置 其中包括L1和L2两块聚焦透镜，P为偏振片，IF为干涉滤光片，PM为Na-II型光电倍增管，0~199.9kPa扫描控制器，镜面间距为2.012mm的F-P标准具，SM为步进电机，Ph为针孔光阑，直径O为0.4mm的一个活塞式气压泵，使用的软件为ZeemanLab 。 F-P标准具的镜片平行度的调整方法是用单色光照明标准具，观察到一组同心干涉圆环。当眼睛向上移动时，如果看到干涉圆环从中心“冒出来”，或者中心处的圆环向外扩大，这表明两镜面在上方的间距偏大，应顺时针转动上方的紧固螺丝，缩小上方间距，按照上述方法反复调整。 结果与讨论 ： 不加磁场时的谱线 加磁场时的分裂谱线 横向观察时谱线 4、横向观察时谱线 5、纵向观察 谱线 谱线 对赛曼效应谱线偏振性的解释 依据（1）角动量守恒定律：在辐射过程中，原子和所反射的光子作为整体的角动量守恒。 （2）原子跃迁的选择定则 明确以下两个关系： 光子自旋角动量与光矢量的转动成右手螺旋关系 按量子理论，光子的自旋量子数s=1，自旋角动量Ps在空间任意方向的分量 设光沿z轴正向传播，则可观察到，具有角动量的光子的光矢量绕z轴沿逆时针转动，为左旋圆偏振光；具有角动量的光子的光矢量沿z轴沿顺时针转动，为右旋圆偏振光。 （2）光子自旋角动量与传播方向共同决定偏振性 设与光速v夹角，则： 左旋圆偏振光 左旋椭圆偏振光 线偏振光 右旋椭圆偏振光 右旋圆偏振光 对光偏振性的解释 由角动量守恒，当时，原子在B方向（Z轴正方向）的角动量减小，所发光子必定具有沿B方向的角动量。若光沿B传播，则v与夹角，可观察到左旋圆偏振光，这就是纵效应中的光。若光垂直B传播，则v与夹角，可观察到线偏振光，E垂直于，v确定的平面，即垂直于