塞曼效应实验报告.pdf

塞曼效应实验实验原理1、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：2、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定义为洛仑兹单位：3、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：）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：⊙B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。标准具在空气中使用时，干涉方程（干涉极大值）为实验内容1.分析在垂直于磁场与平行于磁场方向观察Hg谱线在磁场中的分裂，区分π，σ+，σ-谱线，并确定磁场方向。2.设计方案，选用合适的F—P标准具和改变磁感应强度，验证塞曼分裂的裂距与磁感应强度B的关系。3.设计方案用塞曼分裂的波数差计算电子的荷质比。4.讨论塞曼效应研究原子内部能级结构的方法和应用。实验仪器F-P标准、汞灯、棱镜摄谱仪、毫特斯拉计、滤波片、1/4波片、[线]偏振片、[凸]透镜、实验操作数据处理读数读数读数读数读数平均值谱线1(mm)2(mm)3(mm)4(mm)(mm)Fe标准谱线（左右两条）无磁场时Hg待测谱线Hg在磁场中的分裂待测谱线（从左至右）表格1各谱线位置在阿贝比长仪下的读数由得到的各谱线的位置运用内插法计算各谱线的波长计算各谱线运用内插法，即公式（13），为了计算方便，将其写成以下形式：21(xx)（14）x1xx121xxx在公式（14）中，1、2和分别表示波长为1、2和x的谱线的位置。计算结果见表格3：谱线位置波长实验测得值谱线备注(mm)(Ao)Fe标准谱线（左已知右两条）Hg无磁场时待测谱线波长实验测得值由内插法公Hg式（14）得出。在磁场中的分裂待测谱线（从左至右）表格2用内插法计算各谱线的波长由已测得的Hg在磁场中的分裂光谱线估算磁感应强度，见表格4：HgHg%计算出的磁感在磁场中的与无磁场时洛伦兹单位L分裂谱线波长谱线的理论波数的计算值应强度值备注o1B(T)(A)差(cm)2L%Hg无磁场时谱1.5L%线的波长已测得0.5L%o是A；磁感应强0.5L%度由公式（12）1.5L%计算得出2L%表格3磁感应强度的估算B＝2.35T取其平均值为对磁感应强度的估测值，即估，而实际所加磁感应强度为BB实估100%6.89%B＝2.2TB实，相对误差为实。误差分析：1）实验室给出的磁感应强度B与实验仪器得到的实际磁场有差异，即B并不严格等于2.2T；2）用阿贝比长仪测量谱线位置时，由于谱线粗细不同，导致测量误差；结论Hg本次实验运用光栅摄谱法观察到了在外磁场下谱线的分裂情况，直接验证了塞曼效应；还以Fe谱线作为标准谱，用内插法测得了各谱线的波长，并以此故测了外加磁感应强度B，基本实现了定量验证和分析。