西南石油大学物理实验课——赛曼效应.pptVIP

塞曼效应 内容：测量荷质比-公认值是：1.76×1011c／kg 基本要求：出现7条以上的分裂线 前言 1896年，荷兰物理学家塞曼（P.Zeeman）在实验中发现，当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线会分裂成几条光谱线，分裂的条数随能级类别的不同而不同，且分裂的谱线是偏振光。这种效应被称为塞曼效应 完整解释塞曼效应需要用到量子力学，电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取向是量子化的，磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂 塞曼效应的发现使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解，塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场。本实验采取Fabry-Perot（以下简称F-P）标准具观察Hg的546.1nm利用塞曼效应测量电子的荷质比。 1908年美国天文学家海尔等人在威尔逊山天文台利用塞曼效应，首次测量到了太阳黑子的磁场。 塞曼效应的图示 实验原理 塞曼效应的产生是原子磁距与外加磁场作用的结果。根据原子物理理论，原子中的电子既作轨道运动又作自旋运动。原子的总轨道磁距 与总轨道角动量 的关系为： ? (1) 原子的总自旋磁矩 与总自旋角动量 的关系为： 原子的轨道角动量和自旋角动量合成为原子的总角动量 ，原子的轨道磁距和自旋磁距合成为原子的总磁距 。 ?J称为原子的有效磁矩大小由下式决定 　　 (2) (3) 实验原理 轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩 上能级6s7s2s1分裂为三个子能级，下能级分裂为五个能级，选择定则允许的跃迁共有九种。因此，原来的 谱线将分裂成九条谱线。分裂后的九条谱线是频率间隔相等的，间距都为二分之一的洛仑兹单位，九条谱线的光谱范围为4个洛仑兹单位。各线段的长度表示谱线的相对强度。 洛仑兹单位: 赛曼效应效果图 分裂前 分裂后 在磁场中,其上下能级发生分裂,原子发光遵从选择定则为ΔM = 0 或±1 ,因此,从垂直于磁场方向(横向)观察,共有9 种跃迁存在,故原546. 07nm 一条谱线将分 裂为9 条彼此靠近的谱线(三条π分量,三条σ+ 分量,三条σ- 分量) ,为了分辨裂距只有nm 数量级的谱线,我们采用 ( Fabry —perot ) 标准具,测量时,调节偏振片从0 度(九条线角度) 到90 度角即可看到塞曼π分量,滤掉σ分量,可以观察到如下图所示图像 测量公式: 由于分裂后相邻暗条纹间频率差为半个洛伦兹单位,而频率可利用波数差表示.波数既是波长的倒数,因此可以利用光的干涉法测波长,代入洛伦兹单位即可得以下计算公式: 测量公式 d=2.000mm，B=1.20T，从分裂的谱线上片测出各环直径，就可计算e/m 为未加磁场时中心圆环的直径， 为与中心圆环相邻的圆环的直径。 D a为加磁场后第K级圆环中第5条圆环的直径，Db为加磁场后第K级圆环中第7条（从内往外数）圆环的直径。也可加偏振片滤掉σ分量观察. 实验仪器 法布里—珀罗标准具 J为光源 N，S为电磁铁的磁极 L1为会聚透镜 L2为成像透镜 P为偏振片 F为透射干涉滤光片 F-P为法布里—珀罗标准具 L3和L4分别为望远镜的 物镜和目镜 实验步骤 调整光路 1）将导轨调制水平 2）放置测微目镜，调节目镜，可以观察到汞灯 3）放置聚光透镜，使汞灯光斑均匀 4）放