西安交大《塞曼效应实验报告》.doc

塞曼效应实验报告

应物31吕博成学号:2120903010
塞曼效应
1896年,荷兰物理学家塞曼(P、Zeeman)在实验中发现,当光源放在足够强得磁场中时,原来得一条光谱线会分裂成几条光谱线,分裂得条数随能级类别得不同而不同,且分裂得谱线就是偏振光。这种效应被称为塞曼效应。
需要首先指出得就是,由于实验先后以及实验条件得缘故,我们把分裂成三条谱线,裂距按波数计算正好等于一个洛伦兹单位得现象叫做正常塞曼效应(洛伦兹单位)。而实际上大多数谱线得塞曼分裂谱线多于三条,谱线得裂距可以大于也可以小于一个洛伦兹单位,人们称这类现象为反常塞曼效应。反常塞曼效应就是电子自旋假设得有力证据之一。通过进一步研究塞曼效应,我们可以从中得到有关能级分裂得数据,如通过能级分裂得条数可以知道能级得值;通过能级得裂距可以知道因子。
塞曼效应至今仍然就是研究原子能级结构得重要方法之一,通过它可以精确测定电子得荷质比。
一.实验目得
1、学习观察塞曼效应得方法观察汞灯发出谱线得塞曼分裂;
2、观察分裂谱线得偏振情况以及裂距与磁场强度得关系;
3、利用塞曼分裂得裂距,计算电子得荷质比数值。
二.实验原理
1、谱线在磁场中得能级分裂
设原子在无外磁场时得某个能级得能量为,相应得总角动量量子数、轨道量子数、自旋量子数分别为。当原子处于磁感应强度为得外磁场中时,这一原子能级将分裂为层。各层能量为
(1)
其中为磁量子数,它得取值为,,、、、,共个;为朗德因子;为玻尔磁矩();为磁感应强度。
对于耦合
(2)
假设在无外磁场时,光源某条光谱线得波数为
(3)
式中为普朗克常数;为光速。
而当光源处于外磁场中时,这条光谱线就会分裂成为若干条分线,每条分线波数为别为

所以,分裂后谱线与原谱线得频率差(波数形式)为
(4)
式中脚标1、2分别表示原子跃迁后与跃迁前所处在得能级,为洛伦兹单位(),外磁场得单位为(特斯拉),波数得单位为。得选择定则就是:时为成分,就是振动方向平行于磁场得线偏振光,只能在垂直于磁场得方向上才能观察到,在平行于磁场方向上观察不到,但当时,得跃迁被禁止;时,为成分,垂直于磁场观察时为振动垂直于磁场得线偏振光,沿磁场正方向观察时,为右旋偏振光,为左旋偏振光。
若跃迁前后能级得自旋量子数都等于零,塞曼分裂发上在单重态间,此时,无磁场时得一条谱线在磁场作用下分裂成三条谱线,其中对应得仍然就是态,对应得就是态,分裂后得谱线与原谱线得波数差。这种效应叫做正常塞曼效应。
下面以汞得谱线为例来说明谱线得分裂情况。汞得波长得谱线就是汞原子从到能级跃迁时产生得,其上下能级得有关量子数值与能级分裂图形如表1—1所示。
表1—1
原子态符号

0
1
1
2
1、0、—1
2、0、—21
2
2
3/2
2、1、0、—1、—2
3、3/2、0、—3/2、—3可见,得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察时,中央三条谱线为成分,两边各三条谱线为成分;沿磁场方向观察时,成分不出现,对应得六条线分别为右旋与左旋偏振光。
2、法布里—珀罗标准具
塞曼分裂得波长差很小,波长与波数得关系为,若波长得谱线在得磁场中,分裂谱线得波长差约只有。因此必须使用高分辨率得仪器来观察。本实验采用法布里—珀罗()标准具。
标准具就是由平行放置得两块平面玻璃或石英玻璃板组成,在两板相对得平面上镀有高反射率得薄银膜,为了消除两平板背面反射光得干涉,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。具有相同入射角得光线在垂直于观察方向得平面上得轨迹就是一组同心圆。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,相邻光束得光程差为
(5)
取
(6)
产生亮条纹得条件为
(7)
式中为干涉级次;为入射光波长。
我们需要了解标准具得两个特征参量就是
自由光谱范围(标准具参数)或同一光源发出得具有微小波长差得单色光与(),入射后将形成各自得圆环系列。对同一干涉级,波长大得干涉环直径小,所示。如果与得波长差逐渐加大,使得得第级亮环与得第()级亮环重合,则有
(8)
得出(9)
由于大多数情况下,,(8)式变为并带入(9)式,得到
(10)
它表明在中,当给定两平面间隔后,入射光波长在间所产生得干涉圆环不发生重叠。
分辨本领
定义为光谱仪得分辨本领,对于标准具,它得分辨本领为
(11)
为干涉级次,为精细度,它得物理意义就是在相邻两个干涉级之间能分辨得最大条纹数。依赖于平板内表面反射膜得反射率。
(12)
反射率越高,精细度就越高,仪器能分辨开得条纹数就越多。
利用标准具,通过测量干涉环得直径就可以测量各分裂谱线得波长或波长差。参见图2,出射角为得圆环直径与透镜焦距间得关系为,对于近中心得圆环很小,可以认为,于就是有
(13)
代入到(7