塞曼效应实验解读.docx

塞曼效应实验
实验目的
1、观察汞光在磁场中的塞曼分裂现象2、测量塞曼分裂相邻能级的波数差3、学习法布里珀罗标准具的调节。
实验仪器
塞曼效应仪
实验原理
（1）能级分裂：原子中的电子作自旋与轨道运动，使得原子具有一定的磁矩，其中为总角动量，在L—S耦合的情况下朗德因子为。原子磁矩在外磁场中受到力矩的作用使绕磁场方向作旋进，产生附加能量，由于在外磁场中的取向量子化，即磁量子数M=J，J-1…..-J有个可能值，因而有外磁场时原来的一个能级分裂为2J+1个能级。
（2）光谱分裂：一光谱线在B=0时，；时，新的谱线（选择定则）以汞光546.1ｎｍ的谱线跃迁的两能级（３Ｓ１３Ｐ２）为例，在有磁场时看能级的塞曼分裂与跃迁：

（3）本实验观测波长为546.1ｎｍ的谱线的塞曼分裂跃迁为３Ｓ１３Ｐ２，在磁场中将发生反常塞曼效应，塞曼裂距为对于如图所示的分裂有

（1）
分别为相邻的b谱线a谱线的k-1级干涉环直径，为b谱线的第k级干涉环直径，d为标准具内两夹板玻璃内表面的距离。
实验内容与步骤
1按图调节光路。汞灯与磁极的距离保持１ｍｍ左右，各光学元件共轴，使光源在会聚透镜焦平面上，光均匀照射到标准具上；调节标准具两平行面严格平行，调整测微目镜使之观察到清晰明锐的干涉园环。（此时不加磁场，调节标准具时，望远镜远离标准具才能成清晰的像的部分，调节时要压紧原来不清晰部分方向的螺丝，望远镜靠近标准具才能成清晰的像的部分，调节时要放松原来不清晰部分方向的螺丝，直至眼睛上下左右移动，均无干涉环吐出或吞进。）
２、观察有磁场及无磁场时的谱线情况
（1）在无磁场时观察谱线的情况。（2）加上磁场，观察谱线分裂的情况，即谱线的条数，亮度、区分谱线的成份和成份。在标准具与观察望远镜间加入偏振片，转动偏振片观察谱线的偏振情况。
３、测出及，代入（1）式中计算（要求每测量三次取平均值）。
实验注意与思考
电磁铁长时间通较长时间电流（1A以上）线圈会发热，故在观察和测量完以后，要及时减少电流为零。
从塞曼分裂谱中如何确定能级的J量子数，如何确定能级的因子？

塞曼效应原理及实验方法
塞曼分裂谱线与原谱线关系磁矩在外磁场中受到的作用(1)原子总磁矩在外磁场中受到力矩的作用其效果是磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量（PJ）绕磁场方向旋进。(2)磁矩在外磁场中的磁能

由于或在磁场中的取向量子化，所以其在磁场方向分量也量子化：
∴原子受磁场作用而旋进引起的附加能量

M为磁量子数，g为朗道因子，表征原子总磁矩和总角动量的关系，g随耦合类型不同（LS耦合和jj耦合）有两种解法。在LS耦合下：

其中：L为总轨道角动量量子数S为总自旋角动量量子数J为总角动量量子数M只能取J，J-1，J-2……-J（共2J+1）个值即ΔE有(2J+1)个可能值。无外磁场时的一个能级，在外磁场作用下将分裂成（2J+1）个能级，其分裂的能级是等间隔的，且能级间隔
塞曼分裂谱线与原谱线关系
(1)基本出发点：

∴分裂后谱线与原谱线频率差
由于
为方便起见，常表示为波数差
定义称为洛仑兹单位
塞曼分裂谱线的偏振特征
塞曼跃迁的选择定则为：ΔM=0时为π成份（π型偏振）是振动方向平行于磁场的线偏振光，只有在垂直于磁场方向才能观察到，平行于磁场方向观察不到；但当ΔJ=0时，M2=0到M1=0的跃迁被禁止。当ΔM=±1时，为σ成份，σ型偏振垂直于磁场，观察时为振动垂直于磁场的线偏振光。平行于磁场观察时，其偏振性与磁场方向及观察方向都有关：沿磁场正向观察时（即磁场方向离开观察者：U）
ΔM=+1为右旋圆偏振光（σ+偏振）ΔM=-1为左旋圆偏振光（σ-偏振）也即，磁场指向观察者时：⊙ΔM=+1为左旋圆偏振光ΔM=-1为右旋圆偏振光
分析的总思路和总原则：在辐射的过程中，原子和发出的光子作为整体的角动量是守恒的。原子在磁场方向角动量为
∴在磁场指向观察者时：⊙当ΔM=+1时，光子角动量为，与同向电磁波电矢量绕逆时针方向转动，在光学上称为左旋圆偏振光。ΔM=-1时，光子角动量为，与反向电磁波电矢量绕顺时针方向转动，在光学上称为右旋圆偏振光。
例：Hg5461Å谱线，{6S7S}3S1→{6S6P}3P2能级跃迁产生

分裂后，相邻两谱线的波数差
实验方法观察塞曼分裂的方法塞曼分裂的波长差很小由于
以Hg5461Å谱线为例当处于B=1T的磁场中
要观察如此小的波长差，用一般的棱镜摄谱仪是不可能的，需要用高分辨率的仪器，如法布里—珀罗标准器（F—P标准具）。
F—P标准具由平行放置的两块平面板组成的，在两板相对的平面上镀薄银膜和其他有较高反射系数的薄膜。两平行的镀银平面的间隔是由某些热膨胀系数很小的材料做成的环固定起来。若两平行的镀银平面的间隔不可以改变，则称该仪器为法布里