塞曼效应-大学物理实验中心.ppt

实验五 塞曼效应 近代物理实验 郑州大学物理实验中心 实验背景 1896年，荷兰著名的实验物理学家塞曼（Zeeman）将光源置于强磁场中，研究磁场对谱线的影响，结果发现原来的一条光谱线，分裂成几条光谱线，分裂的谱线成份是偏振的，这一现象称为塞曼效应。由于发现了这个效应，塞曼在1902年获得诺贝尔物理学奖。这是当时实验物理学家的重要成就之一，它使人们对物质的光谱、原子和分子的结构有了更多的了解。 通过塞曼效应实验，可由能级分裂的个数知道能级的值，由能级的裂距可以知道因子。如果原子遵从耦合，则可由值判断该能级的和值。 本实验通过高分辨率的分光器件法布里-珀罗观察546.1nm 汞绿线在磁场中的分裂，并测量分裂谱线的波数差?等物理量。 实验目的 1、加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理 学概念的理解 2、学习法布里-珀罗标准具和CCD器件在光谱测量中的应用 实验原理 1、谱线在磁场中的分裂 按量子理论，当光源处于磁场强度为的磁场中，能级要发生分裂，其附加能量 当光源未受磁场作用时，设电子由能级跃迁到能级，产生频率为的谱线 当光源受磁场作用时，一般地两能级都要发生分裂，分别有的附加能量。分裂的上下能级分别表示为和，它们之间的跃迁产生频率为的新谱线，则有 即在磁场作用下，谱线频率的变化为 = = 相应的波数差为 式中L为 可知，给定磁场时，谱线的塞曼分裂由谱线对应的两个能级的磁量子数和朗德因子确定。 本实验研究汞546.1的塞曼分裂。塞曼效应的选择定则是ΔM=0，ΔM=±1。 谱线在磁场中的能级跃迁如图 75 100 75 75 37.5 12.5 12.5 37.5 75 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 M2g2-M1g1 汞546.1nm线在磁场中分裂为9条新谱线，其中对应的线与原谱线相同，各相邻的分裂谱线波数差是L/2。 当ΔM=0时，产生3条线。沿垂直磁场方向观测，线为振动方向平行于磁场的线偏振光。沿磁场方向观测不到线。 当ΔM=±1时，产生6条线。沿垂直磁场方向观测，线为振动方向垂直于磁场的线偏振光。沿磁场方向观测，线为圆偏振光。 2、用标准具测量波数差 本实验采用干涉滤光片和法布里-珀罗标准具完成分光任务。 i i d f 当光程差等于波长的数倍时，形成干涉亮环，即对于级干涉环，满足 经推导，波数差可表示为 其中， 此式就是实验中用以计算波数差的公式。 实验装置 1 2 O L1 P F F-P L2 M 1：磁场； 2：激磁电源； O：汞灯； L1、L2：透镜； F-P：标准具；M：读数显微镜；P：偏振片；F：滤光片 1、横向观察塞曼分裂 （1）转动电磁铁，使之横向放置，调节测量台，使笔型汞灯竖直放置在磁隙正中，接通汞灯电源。在光学导轨上依次安放聚光透镜、滤光片、法布里-珀罗标准具、刻度盘、成像透镜、读数显微镜，调节平行、同轴； 实验内容和步骤 （2）通过读数显微镜目镜观察同心环形干涉条纹，此时再调节法布里-珀罗标准具下的仰角调节旋钮，使干涉环正好成像在目镜正中心，再调节法布里-珀罗标准具上的三个压脚螺丝，使标准具内两镜面严格平行，此时干涉圆环应均匀、同心； （3）加上滤光片，关掉实验室内的电源（以下实验在暗室内完成，具体细节操作可以借助小电筒照明，但通光时间不易过长），此时可以在目镜视界内看到锐细的汞光谱干涉条纹； （4）打开励磁电源，加上磁场，可以看到锐细干涉圆环变粗，仔细调节读数显微镜位置，并慢慢增加磁场，可以看到干涉圆环逐渐清晰，仔细观察可以看出变粗的条纹是由九条细线组成； （5）加上偏振片，旋动调节旋钮，仔细观察干涉圆环的变化，调节至适当位置，可以发现先前的每个锐细环分裂成三个亮环，借助小电筒，通过读数显微镜上的鼓轮测量圆环的直径，求出汞的塞曼分裂波数值，确定分裂谱线的相应能级的量子数与因子，根据实验结果画出相应的能级跃迁图。 2．测定 ，进而求出电子的荷质比e/m 数据处理 1、由公式 计算出同级的两个波数差，要求测一个级次两个波数差。 2、由公式