塞曼效应 原子分子物理技术及应用 教学课件.ppt

物理科学与信息工程学院 物理科学与信息工程学院 物理科学与信息工程学院物理科学与信息工程学院 物理科学与信息工程学院物理科学与信息工程学院 物理科学与信息工程学院 * 近代物理实验 塞曼效应 * S 实验简介 无磁场时的谱线 磁场中谱线分裂 N 1896年塞曼(Pieter Zeeman 1865—1943荷兰物理学家)发现把光源置于足够强的磁场中时，光源发出的每一条谱线都分裂为若干条偏振化谱线，分裂的条数随能级类别不同而不同，这种现象称为塞曼效应。 * 加深我们对原子磁矩及其空间取向量子化等原子物理学概念的理解 。 研究设计利用塞曼效应测算电子荷质比的方法 。 锻炼和提高我们实验动手能力和分析、研究、解决问题的能力。 实验目的 * 笔型汞灯及其电源 实验仪器 电磁铁及其电源 透镜 偏振片 法布里-珀罗标准具 测微望远镜 特斯拉计 CCD摄像头 图像采集卡 微机 * 实验要求 设计实验方案观察汞546.1nm谱线的塞曼效应 根究观察到的干涉图样，测取π成分偏振光干涉圆环直径，计算电子荷质比。 * 为什么会产生塞曼效应？ 跃迁 有磁场 无磁场 高能级 低能级 实验原理 * 跃迁 有磁场 无磁场 高能级 低能级 实验原理 M：磁量子数 g：朗德因子 B：外加磁场的强度 * 原子能级的分裂是原子磁距与外加磁场作用的结果。 轨道角动量PL 自旋角动量PS 总角动量 轨道磁距 自旋磁距 总磁距 原子能级的分裂的原因？ * ?J称为原子的有效磁矩，大小由下式决定： 对于LS耦合有 在外磁场的作用下,原子总角动量PJ和磁距? J 绕磁场方向进动，原子在磁场中的附加能量?E。 * 附加能量不仅与外磁场B有关，还与朗德因子g有关。磁量子数M共有2J+1个值，因此原子在外磁场中时原来的一个能级将分裂成 2J+1个子能级。 * 谱线分裂 无磁场时，能级E2和E1之间跃迁产生的谱线频率?满足： 加上磁场后，分裂的谱线频率为?ˊ满足： 与原谱线的频率差??为： 波数差为： 能级分裂 为一个洛伦兹单位。 * 塞曼效应分为正常塞曼效应和反常塞曼效应。 由选择定则： 只有三条谱线： 当体系的自旋为零时，g2＝gl＝1，则: * 选择定则 并非任何两个能级的跃迁都是可能的。 * 当ΔM＝0时，产生? 线，沿垂直于磁场的方向观察时，得到光振动方向平行于磁场的线偏振光。沿平行于磁场的方向观察时，光强度为零，观察不到。 当ΔM＝±1时，产生σ线。沿垂直于磁场的方向观察时，得到的是光振动方向垂直于磁场的线偏振光。沿平行于磁场的方向观察时， σ线为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。旋转方向由频率决定。 偏振定则 * 谱线的微小波长差及测量 塞曼效应所分裂的谱线与原谱线间的波长差是很小，以正常塞曼效应为例，波长差达到0.006nm,欲分辨如此小的波长差，要求分光仪器的分辨率为105，而多光束干涉的分光仪器，如法布里-珀罗（Fabry-Perot）标准具的分辨率是很高的，可达105～107，采用它比较适宜。 * 标准具的光路如下图所示： 当光程差为波长的整数倍时，产生干涉极大 * 在使用扩展光源时，F-P标准具产生等倾干涉圆环，如右图，为一组同心圆环: 入射光包含有两种波长 和 （ ） 的波长差为： * 电子的荷质比（e/m）测量 对于一般塞曼效应，波长差为： 已知d和B，计算M2g2-M1g1的大小，从塞曼分裂的照片中测出各环直径，就可计算荷质比e/m的数值。 荷质比为: * 物理科学与信息工程学院 * 注意事项 调整法布里-珀罗标准具时要注意定位螺丝调整幅度一定不要太大，用力不要太猛，否则会损坏仪器 给电磁铁加电压通电流时，所加电压电流一定要由小变大，逐渐增加，否则有可能损害仪器。关电源时要先将电流电压调至较小值再关闭电源 利用测微目镜测量数据时要避免回程误差。 * 重点与难点 重点：理解塞曼效应的原理和法布里――珀罗标准具分光测量微小波长差的原理。通过观察实验现象加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理学概念的理解并测定电子荷质比。 难点：调整法布里――珀罗标准具严格平行和测量各级干涉圆环的直径。 * 物理科学与信息工程学院 * 问题与讨论 什么是正常塞曼效应，什么是反常塞曼效应？ 实验中如何观察和鉴别塞曼效应分裂谱线中的成份和成份？理论上如何分辨成份中的左旋和右旋圆偏振光？ 调整法布里—珀罗标准具时，如何判别标准具的两个内平面是严格平行的？标准具调整不好会产生怎样的后果？ 影响荷质比测量精确度的因素有哪些？ 物理科学与信息工程学院 物理科学与信息工程学院 物理科学与信息工程学院物理科学与信息工程学院 物理科学与信息工程学院物理科学与信息工程学院 物理科学与信息工程学院