近代物理实验塞曼效应.doc

PAGE 1 塞 曼 效 应 实验目的 掌握塞曼效应理论，测定电子的荷质比，确定能级的量子数和朗德因子，绘出跃迁的能级图。 掌握布里—柏罗标准具的原理和原理。 观察塞曼效应现象，把实验结果和理论结果进行比较。 学会使用CCD和计算机获取实验图像和数据的方法。 实验原理 （一）原子总磁矩与总动量矩的关系 原子中的电子由于作轨道运动产生轨道磁矩,电子还具有自旋运动产生自旋磁矩,根据量子力学的结果,电子的轨道角动量和轨道磁矩以及自旋角动量和自旋磁矩在数值上有下列关系: （1） 式中分别表示电子电荷和电子质量；分别表示轨道量子数和自旋量子数。 图1 电子磁矩与动量的关系 轨道角动量和自旋角动量合成原子的总角动量,轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩,由于绕运动只有在方向的投影对外平均效果不为零，可以得到与数值上的关系为： （2） 式中g叫做朗德(Lande)因子,它表征原子的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。 （二）外磁场对原子能级的作用 在外磁场中，原子的总磁矩在外磁场中受到力矩L的作用 （3） 式中表示磁感应强度,力矩使角动量绕磁场方向作进动，进动引起附加的能量为 将（2）式代入上式得 （4） 由于和在磁场中取向是量子化的,也就是在磁场方向的分量是量子化的。的分量只能是的整数倍,即 （5） 磁量子数M 共有2J+1 个值, （6） 这样,无外磁场时的一个能级,在外磁场的作用下分裂成2J+1个子能级,每个能级附加的能量由式（6）决定，它正比于外磁场B和朗德因子g。 图2 原子总磁矩受场作用发生的旋进 （三）塞曼效应的选择定则 设未加磁场时跃迁前后的能级为和,则谱线的频率满足下式： 在磁场中上下能级分别分裂为和个子能级,附加的能量分别为和,新的谱线频率? / 决定于 （7） 分裂谱线的频率差为 （8） 用波数来表示为： （9） 令，称为洛仑兹单位，将有关参数代入得 式中B的单位用T(特斯拉),波数的单位为cm-1。 但是并非任何两个能级间的跃迁都是可能的，跃迁必须满足以下选择定则：=0,士1。当J2=J1时，M2=0 ? M （1） 当=0,垂直于磁场的方向观察时,能观察到线偏振光，线偏振光的振动方向平行于磁场,称为成分，平行于磁场方向观察时成分不出现。 （2） 当=土1, 垂直于磁场观察时, 能观察到线偏振光,线偏振光的振动方向垂直于磁场,叫做线。平行于磁场方向观察时, 能观察到圆偏振光,圆偏振光的转向依赖于的正负号、磁场方向以及观察者相对磁场的方向。=1,偏振转向是沿磁场方向前进的螺旋转动方向,磁场指向观察者时,为左旋圆偏振光，称作+；=-1,偏振转向是沿磁场方向倒退的螺旋转动方向,磁场指向观察者时,为右旋圆偏振光，称作-。 （四）举例 本实验所观察到的汞绿线，即546.1nm谱线是能级7到6之间的跃迁。与这两能级及其塞曼分裂能级对应的量子数和g, ,值以及偏振态列表如下： 表一 各光线的偏振态 选择定则 K⊥B（横向） K∥B（纵向） △M= 0 线偏振光π成分 无光 △M=＋1 线偏振光σ成分 右旋圆偏振光 △M=－1 线偏振光σ成分 左旋圆偏振光 表一中K为光波矢量； B为磁感应强度矢量；σ表示光波电矢量E⊥B；π表示光波电矢量E∥B。