2024年仿真实验报告.docx

大学物理仿真试验汇报——塞曼效应

一、试验简介

塞曼效应是物理学史上一种著名的试验。荷兰物理学家塞曼(Zeeman)在1896年发現把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体，使光谱发生变化，一条谱线既会分裂成几条偏振化的谱线，这种現象称為塞曼效应。

塞曼效应是法拉第磁致旋光效应之后发現的又一种磁光效应。这个現象的发現是对光的电磁理论的有力支持，证明了原子具有磁矩和空间取向量子化，使人們对物质光谱、原子、分子有更多理解。

塞曼效应另一引人注目的发現是由谱线的变化来确定离子的荷质比的大小、符号。根据洛仑兹(H.A.Lorentz)的电子论，测得光谱的波長，谱线的增宽及外加磁场强度，既可称得离子的荷质比。由塞曼效应和洛仑兹的电子论计算得到的这个成果极為重要，由于它刊登在J、J汤姆逊(J、JThomson)宣布电子发現之前几种月，J、J汤姆逊正是借助于塞曼效应由洛仑兹的理论算得的荷质比，与他自已所测得的阴极射线的荷质比进行比较具有相似的数量级，从而得到确实的证据，证明电子的存在。

塞曼效应被誉為继X射线之后物理学最重要的发現之一。

19，塞曼与洛仑兹因这一发現共同获得了诺贝尔物理学奖（以表扬他們研究磁场对光的效应所作的特殊奉献）。至今，塞曼效应仍然是研究原子内部能级构造的重要措施。

本试验通过观测并拍摄Hg(546.1nm)谱线在磁场中的分裂状况，研究塞曼分裂谱的特性，学习应用塞曼效应测量电子的荷质比和研究原子能级构造的措施。

二、试验目的

1.学习观测塞曼效应的措施观测汞灯发出谱线的塞曼分裂；

2.观测分裂谱线的偏振状况以及裂距与磁场强度的关系；

3.运用塞曼分裂的裂距，计算电子的荷质比数值。

三、试验原理

1、谱线在磁场中的能级分裂

设原子在无外磁场時的某个能级的能量為，对应的总角动量量子数、轨道量子数、自旋量子数分别為。当原子处在磁感应强度為的外磁场中時，这一原子能级将分裂為层。各层能量為

（1）

其中為磁量子数，它的取值為，，...，共个；為朗德因子；為玻尔磁矩（）；為磁感应强度。

对于耦合

（2）

假设在无外磁场時，光源某条光谱线的波数為

（3）

式中為普朗克常数；為光速。

而当光源处在外磁场中時，这条光谱线就会分裂成為若干条分线，每条分线波数為别為

因此，分裂后谱线与原谱线的频率差（波数形式）為

（4）

式中脚标1、2分别表达原子跃迁后和跃迁前所处在的能级，為洛伦兹单位（），外磁场的单位為（特斯拉），波数的单位為。的选择定则是：時為成分，是振动方向平行于磁场的线偏振光，只能在垂直于磁场的方向上才能观测到，在平行于磁场方向上观测不到，但当時，的跃迁被严禁；時，為成分，垂直于磁场观测時為振动垂直于磁场的线偏振光，沿磁场正方向观测時，為右旋偏振光，為左旋偏振光。

若跃迁前后能级的自旋量子数都等于零，塞曼分裂发上在单重态间，此時，无磁场時的一条谱线在磁场作用下分裂成三条谱线，其中对应的仍然是态，对应的是态，分裂后的谱线与原谱线的波数差。这种效应叫做正常塞曼效应。

下面以汞的谱线為例来阐明谱线的分裂状况。汞的波長的谱线是汞原子从到能级跃迁時产生的，其上下能级的有关量子数值和能级分裂图形如表1—1所示。

表1—1

原子态符号

0

1

1

2

1、0、—1

2、0、—2

1

2

2

3/2

2、1、0、—1、—2

3、3/2、0、—3/2、—3

可見，的一条谱线在磁场中分裂成了九条谱线，当垂直于磁场方向观测時，中央三条谱线為成分，两边各三条谱线為成分；沿磁场方向观测時，成分不出現，对应的六条线分别為右旋和左旋偏振光。

2、法布里—珀罗原则具

塞曼分裂的波長差很小，波長和波数的关系為，若波長的谱线在的磁场中，分裂谱线的波長差约只有。因此必须使用高辨别率的仪器来观测。本试验采使用方法布里—珀罗（）原则具。

原则具是由平行放置的两块平面玻璃或石英玻璃板构成，在两板相对的平面上镀有高反射率的薄银膜，為了消除两平板背面反射光的干涉，每块板都作成楔形。由于两镀膜面平行，若使用扩展光源，则产生等倾干涉条纹。具有相似入射角的光线在垂直于观测方向的平面上的轨迹是一组同心圆。若在光路上放置透镜，则在透镜焦平面上得到一组同心圆环图样。

在透射光束中，相邻光束的光程差為

（5）

取

（6）

产生亮条纹的条件為

（7）

式中為干涉级次；為入射光波長。

我們需要理解原则具的两个特性参量是

自由光谱范围（