塞曼效应指导书.docx

塞曼效应
1896年，塞曼（PeterZeeman荷兰物理学家）发现，把光源置于足够强的磁场中，光源发出的每条谱线分裂成若干条偏振化谱线，分裂的条数随能级类别不同而不同，这种现象称为塞曼效应。塞曼效应是继法拉第效应和克尔效应之后发现的第三个磁光效应。是物理学的重要发现之一。
塞曼效应证实了原子具有磁矩，而且其空间取向是量子化的。在磁场中，原子磁矩受到磁场作用，使原子在原来能级上获得一附加能量。由于原子磁矩在磁场中的不同取向而获得的不同附加能量，使得原来一个能级分裂成能量不同的几个子能级。同样，由光源发出的一条谱线也会分裂成若干成份。
由汞光源发出的546.1nm光谱线在外磁场作用下产生跃迁，如图1所示，而原子发光必须遵从或的跃迁定则（表示光谱线由于能级跃迁而产生的磁量子数的差值），而且选择定则与光的偏振有关，光的偏振状态又与观察角度有关。垂直于磁场时为线偏振光，而平行于磁场时则是圆偏振光。

由图1可以看到，由于选择定则的限制，只允许9种跃迁存在，从横向角度观察，原546.1nm光谱线分裂成9条彼此靠近的光谱线，如图2所示，其中包括3条分量线（中心3条）和6条分量线。
这些条纹相互迭合而使的观察困难。由于这两种成份偏振光的偏振方向是正交的，因此我们可以利用偏振片将分量的6条条纹滤去，只让分量条纹留下来，由于相邻谱线之间的间距非常小，所以采用2mm间隔的法布里－珀罗标准具来准确的分析谱线的精细结构。实验仪采用干涉滤光片把笔形汞灯中的546.1nm光谱线选出，在磁场中进行分裂，后面用读数显微镜观察并测量分裂圆的直径，然后计算出电子荷质比。也可以选配CCD摄像装置，并通过图象采集送入电脑，应用塞曼效应实验分析软件进行数据处理。

实验内容
1实验装置
（一）整机结构
如下图所示

1－氦氖激光器2－控制主机3－电磁铁4－偏振检测5－会聚透镜6－干涉滤光片7－法布里－珀罗标准具8－成像透镜9－读数显微镜10－光功率计选配件：CCD摄像器件、图像采集卡、塞曼效应实验分析软件、监视器。
（二）主机
主机正面板示意图如图8所示：

说明：
励磁电源电压、电流显示转换开关；
励磁电源电压或电流显示（电压单位：伏特，电流单位：安培）；
励磁电源电流调节旋钮（顺时针增大）；
磁感应强度显示调零旋钮；
磁感应强度显示（单位：特斯拉）；
电源开关（控制励磁电源和磁感应强度测量）；
励磁电源正常工作指示灯；
励磁电源电压调节旋钮（顺时针增大）；
励磁电源非正常工作指示灯（指示励磁电源过热）；
磁感应强度测量校正旋钮（出厂时已校正完成，勿轻易调节）；
笔形汞灯电源开关。
实验过程
（一）实验前仪器连接及调整：
1.氦-氖激光器通过底部四个定位孔和调节架相配合，旋动调节架上的调节旋钮，可以使激光器的高度平稳调节；
2.电磁铁放在转台上，通过限位槽和基准线来定位，以致使电磁铁的转动中心正好和磁间隙中心重合；
3.导轨置于电磁铁横向放置时磁芯中心孔的延长线上，注意应离开转台一段距离，以使电磁铁转动时不碰到导轨，调节滑块后部制动旋钮，使滑动均匀、顺利，通过激光的准直性调节各光学元件，使之同轴，本实验讲义推荐光学元件安置顺序：刻度盘——聚光透镜——干涉滤光片——法布里-珀罗标准具——成像透镜——读数显微镜；
4.按照面板提示连接好主机各线，光度计上通过一话筒线和刻度盘上的光电转换盒相连，接通电源，分别调节磁感应强度测量和光度计至零点，注意，调节时应使输入信号为零，即磁感应强度测量应使探头远离磁场，光度计应使光电转换盒通光量为零。
（二）塞曼效应实验
转动电磁铁，使之横向放置，调节测量台，使笔型汞灯竖直放置在磁隙正中，接通汞灯电源；
在光学导轨上依次安放聚光透镜、干涉滤光片、法布里-珀罗标准具、刻度盘（去下后部光电转换盒，此时做偏振片用）、成像透镜、读数显微镜，调节平行、同轴；
点亮笔型汞灯，暂时取下滤光片和刻度盘，调节各滑块位置，通过读数显微镜目镜观察同心环形干涉条纹，此时再调节法布里-珀罗标准具下的仰角调节旋钮，使干涉环正好成像在目镜正中心，再调节法布里-珀罗标准具上的三个压脚螺丝，使标准具内两镜面严格平行（具体调节方法见附录），此时干涉圆环应均匀、同心；
加上滤光片，关掉实验室内的电源（以下实验在暗室内完成，具体细节操作可以借助小电筒照明，但通光时间不易过长），此时可以在目镜视界内看到锐细的汞光谱干涉条纹；
打开励磁电源，加上磁场，可以看到锐细干涉圆环变粗，仔细调节读数显微镜位置，并慢慢增加磁场，可以看到干涉圆环逐渐清晰，仔细观察可以看出变粗的条纹是由九条细线组成；
加上偏振片，旋动调节旋钮，仔细观察干涉圆环的变化，调节至适当位置，可以发现先前的每个锐细环分裂成三个亮环，借助小电筒，通过读数显微镜上的鼓轮测量圆环的直径，求出汞的塞曼分裂波数值，然后可以计算出