[2017年整理]塞曼效应与法拉第效应实验.docVIP

塞曼效应与法拉第效应实验 姓名：田纪遨 学号：U201210122 班级：物理学1201班 同组成员：王安居（应物1201班） 摘要：实验主要是观察汞原子546.1nm谱线的分裂现象以及它们偏振状态，并计算电子荷质比以及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。 关键词：塞曼效应 法拉第效应 费尔德常数 一、引 言 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。本实验主要是观察汞原子546.1nm谱线的分裂现象以及它们偏振状态，并计算电子荷质比。法拉第效应是指一束线偏振光沿外加磁场或磁化强度方向通过介质时偏振面发生旋转的现象。本实验通过设计测量其费尔德常数。 z二、原 理 z 1.塞曼效应 如图以氢原子为例，考虑轨道和自旋相互作用. 轨道角动量为 轨道磁矩为 角动量与磁矩的模型自旋角动量为 角动量与磁矩的模型 自旋磁矩为 轨道总角动量为 轨道总磁矩 其中g 为朗德因子 其中j, l, s分别为总角动量量子数，角动量量子数，自旋量子数。 精细能级上不同磁量子数m的量子态在磁场中的附加能为 这样，无外磁场时的一个能级在外磁场作用下分裂为 QUOTE 个子能级。 2.汞绿线的塞曼效应 本实验中所观察的汞绿线对应于 跃迁。与这两能级及其塞曼分裂能级对应的量子数和朗德因子值，以及跃迁线偏振态列在表1和表2中. 表格 SEQ 表格 \* ARABIC 1汞绿线始末原子态量子数及朗德因子 原子态符号 73S1 63P2 l 0 1 s 1 1 j 1 2 g 2 3/2 m 1，0，-1 2，1，0，-1，-2 mg 2，0，-2 3，3/2，0，-3/2，-3 表2. 塞曼线的偏振态（K为光波矢量； B为磁感应强度矢量） 选择定则 K⊥B（横向） K∥B（纵向） △m= 0（π跃迁） 线偏振，E∥B 无光 △m=＋1 线偏振，E⊥B 右旋圆偏振光 △m=－1 线偏振，E⊥B 左旋圆偏振光 汞绿线上下能级在外磁场中分别分裂为三个和五个子能级，选择规则允许的九种 跃迁谱线及其相对强度如图所示。 3.法布里-珀罗标准具 法布里-珀罗标准具的多光路干涉图如下 任何相邻光束间的光程差?是一样的，即 在空气中使用标准具时n=1，相长干涉的条件是 标准具的精细度F (其中R为标准具内表面的反射率) 自由光谱范围 波长的测量 电子的荷质比[1]为 (其中 QUOTE 和 QUOTE 为同一序不同波长的圆环对应的直径) 4.法拉第效应[2] 法拉第的磁致旋光效应图如图所示 其中费尔德常数定义为 其中d为光在介质中通过的路程， QUOTE 为光通过介质后偏振面旋转的角度， QUOTE 为光所通过方向的磁场方向。 三、方 法 1实验仪器 本实验在FD-FZ-C型法拉第效应塞曼效应实验仪上完成。主要由实验主机、励磁电源、电磁铁、转台、光学导轨、激光器、起偏器、检偏器、探测器、会聚透镜（薄透镜）、干涉滤色片、F-P标准具、CCD相机等组成。 2．实验程序 2.1塞曼效应实验 1.利用毫特斯拉计测量电磁铁中心的磁感应强度 2.搭建光路； 3.调整光路：各光学器件等高共轴；利用汞灯观察干涉环，在摄像头中收集到的图像看到每一个壳斑中的9个干涉环，标记处k级，k+1级和k-1级，利用软件拟合，测量荷质比 4.利用起偏器和检偏器观察激光在不同磁场强度下激光功率的变化，记录实验数据 2.2法拉第效应费尔德常数的测量 设计的实验光路如图所示，采用的方法为正交消光法 (1)按照光路图搭建好实验光路，各光学器件的水平轴线保持在同一水平高度 (2)撤去检偏器，调节激光使得其偏振方向与起偏器的方向相同这时光电探测器的读数最大，安上检偏器，调节检偏器使光电探测器的读数最小。 (3)加上磁场之后，光电探测器的读数变大，调节检偏器使其读数最小，记下此时的偏转的角度θ。这样重复测量几组数据。 四、数据分析 1． 电磁体磁场与电流的对应关系 用特斯拉计测得电磁铁中部L/3的部位磁场比较均匀，该范围还比较大，所以之后实验不用很精确地寻找电磁铁缝隙中部。 测量磁场随电流变化的数据如下表所示： 电流（A） 电压（V） 磁场（mT） 0 0 7 0.5 2.8 167 0.71 4 234 1.11 6.3 358 1.52 8.6 488 1.75 10 559 2.19 12.6 696 2.5 14.4 792 2.73 15.7 861 3 17.2 937 3.22 18.5 996 3.45 19.8