近代物理实验塞曼效应
塞曼效应(lmj3)
塞曼效应塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。
荷兰物理学家塞曼在1896年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体使光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。
塞曼效应是继法拉第磁致旋光效应之后发现的又一个磁光效应。
这个现象的发现是对光的电磁理论的有力支持，证实了原子具有磁矩和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子结构有更多了解，特别是由于及时得到洛仑兹的理论解释，更受到人们的重视，被誉为继X 射线之后物理学最重要的发现之一。
1902年，塞曼与洛仑兹因发现塞曼效应而共同获得了诺贝尔物理学奖。
【实验目的】（1） 证实原子具有磁矩和空间取向量子化。
（2） 应用实验的方法，求洛仑兹单位值，并与理论值比较。
【实验仪器】电磁铁及电源 交直流高斯计 调压器 汞灯 法布里—珀罗标准具 小型摄谱仪测量显微镜 【实验原理】当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条谱线分裂成波长很靠近的几条偏振化的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同，这种现象称为塞曼效应。
塞曼效应实验是研究原子的光谱在磁场中受磁场影响而变化的实验。
根据原子所处的磁场强度不同谱线分裂的条数不同，塞曼效应由于历史的习惯可分为正常塞曼效应和反常赛曼效应。
通常一条谱线分裂条数为三条的效应叫正常塞曼效应(可以用经典理论加以解释)，多于三条的叫反常塞曼效应（只能用量子理论解释）。
反常塞曼效应通常发生在磁场很弱或者磁场很强的条件下。
塞曼效应是由于原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩共同受到磁场的作用而产生的，因此它进一步证实了原子具有磁矩和空间取向量子化。
通过本实验可以进一步认识原子的内部结构。
1. 原子的总磁矩塞曼效应是由于原子的内部磁矩受外磁场的作用而产生的，而原子中的电子又具有轨道运动和自旋运动，所以电子有轨道角动量P L 和自旋角动量P S ，有轨道磁矩μL 和自旋磁矩μS 。
在忽略核磁矩的情况下，P L 与P S 合成总角动量P J ，μL 与μS 合成总磁矩μ，见图(1)我们已知：轨道角动量 ⋅+=)1(L L P s图(1)自旋角动量 ⋅+=)1(S S P s轨道磁矩 L L P m e2=μ 自旋磁矩 S S P me2=μ 由于L L P μ 和μS/ P S 的值不同所以总磁矩μ不在总角动量L P 的延长线上，而是μ绕P J 的延长线旋进。
塞曼效应(大学近代物理实验)
表1
7 3S13 S1
6 3P2 3P2
L
0
1
S
1
1
J
1
2
g
2
3/2
M 1 0 -1 2 1 0 -1 -2
Mg 2 0 -2 3 3/2 0 -3/2 -3
表2 M
2
1
0
-1
-2
3S1M 2 g2
3 P2 M 1 g1
F-P标准具由两块平面平晶及中间的间 隔圈组成。平晶内表面需经过精密加工, 精度高于λ/20。内表面镀有高反射膜, 反射率高于90%。间隔距离可通过螺丝调 节。以保证两内表面严格平行。
设A,B两平面间的距离为d,空气折射率 n≈1,则相邻两束透射光之间的光程差便 是△=2dcosφ，因此，产生干涉极大时 应满足
电子从高能级向低能级跃迁时会发光。一定的光 谱线对应于一定的能级间的跃迁。例如汞的 546.074nm谱线是6S7S³Sı到6S6P³P2跃迁的结果。谱 线在磁场中分裂这一事实，反映了能级在磁场中 发生了分裂，也即原子在磁场中获得了附加能量。
运用量子力学。可以对塞曼效应作出满意的解释。
1．原子的总磁矩
△=2dcosφ=kλ 式中k为整数, φ为入射角。
(2)F-P标准具的调节 调节标准具时,主要是要使两个内表面严格平行。 将光源,透镜和标准具按规定放好。水平移动标准具找到干涉环,
使其中心位于反射片的中心。左右移动眼睛观察。如果在移动 过程中有冒环或吸环的现象,则说明两个内表面水平方向不平行。 这时可以调节标准具下方的两个螺丝。冒环方向相应的间距大, 因此应将这个方向的螺丝旋紧,或者把另一方向的螺丝放松。通 过调节,应达到左右移动眼睛时,无冒环或吸环现象。然后再竖直 移动眼睛,如果眼睛上移时出现冒环,可以旋紧上方螺丝或同时放 松下方的两个螺丝;反之,可以放松上方螺丝或同时放松下方的两 个螺丝。依此,在水平和竖直两个方向反复多次调节,达到无论怎 样移动眼睛,均不出现冒环和吸环现象。这时用望远镜观察就可 看到细而锐的干涉环了。
近代物理实验-塞曼效应实验
近代物理实验——塞曼效应实验一、实验简介如果把光源置于足够强的磁场中，则光源发出的大部分单色光都分裂为若干条偏振的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同。
这种现象被称为塞曼效应。
塞曼效应是1896年荷兰物理学家塞曼发现的，洛伦兹对此作出了令人满意的解释。
塞曼效应的发现及其解释对研究原子中电子的角动量和反应角动量耦合作用的朗德因子等原子结构的信息有重要的作用，因此，两人于1902年获得了诺贝尔物理学奖。
本实验将采用光栅摄谱仪的方法来研究这一现象。
二、实验目的1.观察塞曼效应；2.利用塞曼裂矩，计算电子的质核比e/m e；三、实验原理1.塞曼效应概念：将光源放到磁场中，观察到光谱线发生分裂。
原因是原子的能级发生了分裂，根据原子物理学知识，原子中的电子在磁场中的附加能量为：∆E=MgμB B其中g是朗德因子：g=1+J(j+1)−L(L+!)+S(S+1)2J(J+1)2.能级E1与E2之间的跃迁如果产生频率为γ的光，在磁场中上下能级都发生分裂，分裂后的谱线与原谱线的频率差为：∆γ=(m2g2−M1g1)μB B/ℎ其中μB是玻尔磁子：μB=eℎ4πm 得：∆γ=（m2g2−M1g1）eℎ4πmB用波数差表示为：∆σ=（m2g2−M1g1）e4πmcB导出电子的荷质比为：em =()22114cm g m gπσ∆-(em理论值是1.76*1011C/kg）3．观察塞曼效应的方法：F-P标准具光路图，标准具由两块平板玻璃构成，形成干涉极大的条件是：2ndcosθ=kλ（一组同心圆）由于tanθ=D2⁄f，在θ很小时：θ=sinθ=tanθ所以cosθ=1−2sin2θ2=1−12tan2θ=1−D28f2最后推导出波数差： ∆σ=12d （D b2−Da2D k−12−Dk2）含义：Dk与Dk-1是分裂前相邻两个圆环的直径，Db与Da是分裂后同一级次两个圆环的直径（注意计算中∆σ的单位是cm-1）磁感应强度：B=1.2T四、实验仪器摄谱仪、Fe弧光源、Hg放电管五、实验内容1.摄谱和反射镜Bs在摄（1）调整外光路，使得汞放电管发出的光辐射经透镜L1谱仪入射狭缝上成像。
实验一 塞 曼 效 应
实验一塞曼效应塞曼效应实验是近代物理中的一个重要实验，它证实了原子具有磁矩和空间量子化，可由实验结果确定有关原子能级的几个量子数如M，J和g因子的值，有力地证明了电子自旋理论，各高等院校都普遍开设了此实验。
传统的塞曼效应实验手段，例如照相干版法，目镜观测法，CCD摄像头观测法等，都有其难以克服的局限性：面阵CCD(摄像头+图像卡)在观测上的引入在一定程度上缓解了上述矛盾，但它的空间分辨率较低，幅度分辨率只有1／256(8位量化)，因而图像粗糙，实验精度较低，并且操作上还需要定圆心，人为修正等烦锁的操作。
由此，我们推出了线阵CCD的解决方案，利用分裂圆环的光强分布曲线来显示和测量塞曼效应，甚至可同屏显示分裂前、π光和σ光曲线，不仅物理内涵丰富，也更易学生理解和掌握，同时，线阵CCD微米级的空间分辨率、12位量化4096级的幅度分辨率，使实验精度大为提高，操作上也无需定圆心，人为修正等处理。
本实验由硬件和软件（祥看说明书）两部分组成。
本套仪器的硬件部分主要由三个部分组成：CCD采集盒、计算机数据采集盒和成像透镜部分。
各部分连接示意图图1如下：图1仪器的硬件部分组成1．CCD采集盒的核心器件是一个数千像元的CCD线阵，它可以将照射在其上的光强信号转化为模拟电信号，实时送往计算机数据采集盒。
每一个CCD线阵具体的指标参数，请详见其CCD采集盒上的铭牌。
2．计算机数据采集盒将由CCD采集盒送来的光强模拟电信号经12位A／D转换后量化为4096级数字信号，交给ZEEMAN软件处理。
它通过USB接口与计算机相连。
3．成像透镜部分由遮光罩和成像透镜组成。
前端仪器产生的光信号经过成像透镜会聚，在CCD线阵上产生实像，从而进行光／电变换。
一、实验目的1．掌握塞曼效应理论，确定能级的量子数与朗德因子，绘出跃迁的能级图；2．掌握法布里-珀罗标准具的原理及使用；3．熟练掌握光路的调节：4．了解线阵CCD器件的原理和应用。
塞曼效应实验 简介
塞曼效应实验简介
塞曼效应，是指在外加磁场下，各种光谱线的分裂现象。
这个效应首先由瑞典物理学
家塞曼（Pieter Zeeman）于1896年发现的，由此获得1902年的诺贝尔物理学奖。
实验过程中，需要使用较强的磁场，通常是1特斯拉以上。
然后，通过光源照射气体，观察气体光谱的变化。
光谱中原来只有一条谱线，但是在磁场的作用下，谱线会被分裂成
多条并排的细线。
这些细线的数量和排列方式与磁场的性质、气体类型和光源的特性有
关。
塞曼效应的理论证明来源于量子力学的结论。
磁场将影响原子的能级，使能级发生分裂。
原子发射的光子带有特定的能量，对应特定的波长和频率。
然而，在磁场中，能级发
生分裂，这会导致原子的光谱线分裂成多条。
这个效应可以通过塞曼效应的公式来计算，
公式的形式基于原子的量子力学特性和磁场的特性。
塞曼效应不仅仅在光谱分析方面应用广泛，它还有重要的应用于磁共振成像技术（MRI）。
MRI是一种医学成像技术，它使用强磁场和无线电波来生成人体内部的图像。
磁共振现象来源于塞曼效应，MRI中使用的磁场通常在1至3特斯拉之间。
通过改变磁场的强度和方向，可以对人体不同区域产生不同的成像结果，从而获取体内组织的详细信息。
总之，塞曼效应是磁场对原子光谱线分裂的影响，是现代物理学基础研究的重要内容。
其在光谱分析、物理学和医学成像等领域均有广泛的应用。
实验35塞曼效应
用上面所述的方法，可以求出它的塞曼分裂。下图表示在外磁场 作用下，汞绿线能级的分裂情况。
在外磁场作用下， S 1 和 P2 能级的分裂
3
3
（二）用标准具测量波数差
10 10 ， 塞曼效应造成的谱线很小，其相对值 即在可见光波段其分裂值在1/10nm数量级。棱镜光谱仪或光栅 光谱仪的分辨本领为103~105，故难以用常规光谱仪观察到塞曼 效应。法布里-珀罗标准具的分辨本领可达到106，故常用标准 具来观测塞曼效应。 由于标准具的自由光谱区很小，通常要先用常规光谱仪 分出一条条光谱线后，再用标准具进一步分光。
d
对同一级不同波长的波长差，有
2 2 d D D 2 2 b a a b ( D D ) ( ) b a 2 2 2 k D k 1 D k 4f k
测量时所用的干涉条纹是中心附近的干涉条纹，可令i=0,则 有
k
2d
则波长差的表达式可化为
ab
用波数差表示为
d、开启稳压电源，调节稳压电源电流为一定值。如图所示， 取相邻两级次的线偏光进行测量。
2、测量并计算波长差 按公式计算塞曼分裂的波数差。 1 2 2 2 2 2 2 D ab （ [ D2 D 12）（D 3 D2 ）（D 5 D4 ） 4 1 2 2 2 2 （D 6 D 5 ） ] （ [ D 32 D 12）（D 6 D4 ） ] 6
五、实验内容
1、调整光路，观察塞曼现象
a、点亮汞灯，把透镜置于光源和标准具之间适当位置，让光 充满标准具。由于标准具前已经放置滤光片，可以看到标准具视 场中布满绿色的干涉条纹。 b、调节标准具。眼睛在垂直于的平行面内上、下、左、右移 动时，若看到干涉环有缩冒现象，应调节标准具的三个调节旋钮， 直到无明显缩冒现象为止。 c、在标准具后安置透镜和目镜，调节两者的相对位置以看清 各干涉环。为保证视场足够明亮，整个光学系统应共轴。调节目 镜位置使目镜叉丝大体与干涉环直径重合。
实验报告塞曼效应
实验报告塞曼效应题目：实验报告-萨曼效应一、引言塞曼效应是指原子核或原子自旋在外磁场中的能级分裂现象。
其原理是：当原子核或原子自旋进入外磁场时，它的能级将会发生分裂，分裂的程度与外磁场的强弱有关。
这种效应的发现对研究原子核、原子结构以及核磁共振等领域产生了重要影响。
本实验就是要通过测量并分析原子核在外磁场中的分裂现象，来探究塞曼效应的基本原理。
二、实验目的1. 观察并分析原子核在外磁场中的能级分裂现象；2. 确定原子核能级的分裂规律；3. 探究外磁场强度对能级分裂的影响。
三、实验仪器与方法1. 仪器：萨曼效应实验装置、数字照相机、计算机等；2. 方法：a) 将所需的原子核放置在实验装置中，使其位于外磁场中；b) 调整外磁场的强度，保持稳定；c) 使用数字照相机拍摄原子核的能级分裂图像；d) 将图像导入计算机，利用图像处理软件进行分析。
四、实验结果与数据处理1. 实验现象：根据测量结果，所有原子核的能级在外磁场中均发生了分裂现象；2. 数据处理：通过对分裂图像的测量和分析，得到了原子核能级分裂的数量和间距等数据；3. 数据结果：经过实验，我们发现能级分裂的数量与外磁场的强度成正比，而能级分裂的间距与外磁场的强度成反比。
五、实验讨论1. 本实验结论与理论预期基本一致，说明塞曼效应的存在是客观存在的现象；2. 外磁场的强度可以影响原子核能级的分裂，这与塞曼效应的基本原理相符；3. 在实验过程中可能存在的误差源包括外磁场非均匀性、原子核数目的变化、图像处理软件误差等。
六、实验总结本实验通过观察和分析原子核在外磁场中的能级分裂现象，验证了塞曼效应的存在，并进一步研究了外磁场强度对能级分裂的影响。
实验结果与预期一致，进一步加深了对塞曼效应的理解。
然而，实验中也发现了一些潜在的误差源，需要进一步的研究和改进。
总体而言，本实验取得了较好的结果，对深入研究原子核与原子结构等领域具有一定的意义。
七、参考文献1. 塞曼效应的基本原理与应用，物理学报；2. 原子核与原子结构的基本原理，化学与物理杂志。
实验三塞曼效应实验
实验三塞曼效应实验塞曼效应实验是一种经典的物理学实验，它涉及到对原子和原子光谱的研究。
这个实验的目标是验证塞曼效应的存在，以及测量塞曼分裂的大小。
塞曼效应是指原子在磁场中分裂其光谱线的现象，它为研究原子结构和磁学提供了重要的基础。
一、实验目的本实验的目的是通过塞曼效应观察和测量光谱线的分裂，以加深对原子结构和磁学性质的理解。
二、实验原理塞曼效应是荷兰物理学家塞曼在1896年发现的。
他在研究原子光谱时发现，原子光谱线在磁场中会发生分裂。
这是因为在磁场中，原子中的电子自旋和轨道运动会产生磁偶极矩，从而与磁场相互作用，导致能级分裂。
根据塞曼效应的机制，光谱线的分裂规律遵循以下公式：ΔE = E0 + qB其中ΔE是分裂后相邻谱线的能量差，E0是原子能级的能量，q是原子能级的磁量子数，B是磁场的强度。
通过测量光谱线的分裂和已知的实验参数，可以计算出原子的磁量子数q，从而了解原子的结构。
此外，通过测量分裂谱线的相对强度，还可以推导出原子的磁矩。
三、实验步骤1.准备实验器材：光源（如钠灯）、磁场装置（如电磁铁）、望远镜、光电效应装置、稳压电源等。
2.安装实验器材：将光源、磁场装置和望远镜组装在一起，保证光源发出的光线经过磁场装置后能够投影到望远镜上。
3.调节磁场强度：通过稳压电源调节磁场装置的电流，改变磁场强度B。
4.观察光谱线分裂：在望远镜中观察光谱线的分裂情况。
随着磁场强度的改变，光谱线会分裂成多个线条。
5.测量分裂谱线的相对强度：使用光电效应装置测量分裂谱线的相对强度。
这可以通过测量不同谱线被光电效应装置吸收的程度来实现。
6.记录实验数据：将测量到的光谱线分裂情况和相对强度记录在实验记录表中。
7.数据处理与分析：根据实验数据计算出原子的磁量子数q和磁矩等参数，并对这些参数进行分析。
四、实验结果与讨论通过本实验，我们观察到了明显的塞曼效应，并测量了光谱线的分裂情况。
实验结果显示，随着磁场强度的增加，光谱线分裂程度逐渐增大。
塞曼效应(大学近代物理实验)
用波数表示：
v~ab
1 2d
D 2 ab D 2
测量并计算荷质比
对于正常的塞曼效应,分裂谱线的波数差为
L e B 4mc
e m
2cDa2b
dBD 2
五、实验内容与步骤
1、横向观察塞曼分裂
（1）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、滤光片、法布里-珀罗标准具、刻度盘、成像 透镜、读数显微镜，调节平行、同轴；
原子中的电子在作自旋运动的同时还作轨道运动。因此它具
有自旋角动量 矩 L
Ps
和自旋磁矩
,以及轨道角动量
s
PL 和轨道磁
Ps s(s 1)h~
s
e m
Ps
~ PL L(L 1)h
L
e 2m
PL
总比磁值矩,所以则是不在与s 总L的角合动成量。PJ的由延于长与s线P上s的。比但值是不,同Ps和于PLL都与是PL的绕 着PJ旋进的,因此 s、 L 和也都是绕着PJ 的延长线旋进的。如 果把 分解成方向在PJ延长线的分量J和与之垂直的另外一 个分量,则后者在绕PJ 转动时,对外的平均效果完全抵消。这 样,对外发生效果的只是 J。因此,人们就将 J 称之为“原子 总磁矩”。
用上面所述的方法，可以求出它的塞曼分裂。下图表示在 外磁场作用下，3S1 和 3P2能级的分裂。
表1
7 3S13 S1
6 3P2 3P2
L
0
1
S
1
1
J
1
2
g
2
3/2
M 1 0 -1 2 1 0 -1 -2
Mg 2 0 -2 3 3/2 0 -3/2 -3
近代物理实验塞曼效应
1 2 ( D32 D12 ) ( D62 D4 ) 4
2 2 D 2为同一波长相邻两级次的环直径平方差 D 2 D5 D2
（三）测量并计算荷质比 对于正常塞曼效应，分裂谱线的波束差为
eB L 4mc
进而荷质比为
2 e 2c Dab m dB D 2
实验目的
一、深入理解塞曼效应的理论原理； 二、复习并熟悉标准具的原理及使用； 三、通过实验来观察塞曼分裂的现象，并测量波数差及电子 的荷质比。
实验原理
一、谱线在磁场中的分裂：有磁场B时能级E发生分裂，附加能 量 ；无磁场时电子跃迁，产生谱线 有磁场时电子跃迁，产生新谱线
此时，频率变化为 相应的波束差为
二、用标准具测量波数差：法布里-波罗标准具的分辨本领可 达 ，故常用标准具来观测塞曼效应。但由于标准具的自 由光谱区很小，通常要选用常规光谱仪分出一条条光谱线 后，再用标准具进一步分光。 在法布里-波罗标准具的投射光中，相邻两光束的光程差 为 2nd cos i ，在空气中n=1，所以 2d cos i 当光程差等于波长的整数倍时，形成干涉环，即对于k极 干涉环，满足 k 2d cos i
本实验研究汞546.1nm的塞曼分裂。汞绿线546.1nm是 跃迁 ，两能级的M值为 和 塞曼效应的选择定则是 故在外磁场作用下，546.1nm线的分裂情况可由下图显示，即
其中对应 的线与原谱线相同，各相 邻的分裂谱线波数差是L/2。 当 时，产生3条 线。沿垂直磁场方向观测， 线为振动方向平行于磁场的线偏振光。沿磁场 方向观测不到 线。 当 时，产生6条 线。沿垂直磁场方向观 测， 线为振动方向垂直于磁场的线偏振光。沿 磁场方向观测， 线为圆偏振光。
塞曼效应实验.
E Mg
eh B Mg B B 4 m
其中 B 称为玻尔磁子。上式告诉我们，ΔE有(2J+1)个可能值，也 就是说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，且能级间隔为。
例：能级 2 P3 / 2
J 3 / 2 M 3 / 2,1 / 2,1 / 2,3 / 2
普通物理(近代物理)实验
塞曼效应实验
背景简介
塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。 1896年荷兰物理学家塞曼发现把产生光谱的光源 置于足够强的磁场中，一条谱线即会分裂成几条 偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。塞曼效 应是继法拉第磁致旋光效应之后发现的又一个磁 光效应。这个现象的发现是对光的电磁理论的有 力支持，证实了原子具有磁矩和空间取向量子化， 使人们对物质光谱、原子、分子结构有更多了解， 特别是由于及时得到洛仑兹的理论解释，更受到 人们的重视，被誉为继X射线之后物理学最重要 的发现之一。1902年，塞曼与洛仑兹因发现塞曼 效应而共同获得了诺贝尔物理学奖
塞曼 Pieter Zeeman
塞曼效应实验
实验目的 实验原理 数据处理 思考问题 实验仪器 实验内容 注意事项
实验目的
1. 利用高分辨光谱仪（如法布里－玻罗标准具或大型 光栅摄谱仪等分光设备）观察和拍摄汞灯谱线5461埃的
塞曼效应，并测量它的波长差；
2. 利用光谱学的方法，测定电子的荷质比。
实验仪器
l s
h h Ps S ( S 1) 2 2 l,s分别表示轨道量子数和自旋量子数,它们合成为原子的总角动量 Pj Pl l (l 1)
Ps
Pj
Pj
图2 原子角动量和磁矩矢量图
塞曼效应
塞曼效应塞曼效应是指原子在外磁场中发光谱线发生分裂且偏振的现象称为塞曼效应;历史上首先观测到并给予理论解释的是谱线一分为三的现象,后来又发现了较三分裂现象更为复杂的难以解释的情况，因此称前者为正常或简单塞曼效应,后者为反常或复杂塞曼效应。
原理简介荷兰物理学家塞曼在1896年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体使光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。
塞曼效应是法拉第磁效致旋光效应之后发现的又一个磁光效应。
这个现象的发现是对光的电磁理论的有力支持，证实了原子具有磁矩和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解，特别是由于及时得到洛仑兹的理论解释，更受到人们的重视，被誉为继X射线之后物理学最重要的发现之一。
1902年，塞曼与洛仑兹因这一发现共同获得了诺贝尔物理学奖(以表彰他们研究磁场对光的效应所作的特殊贡献)。
详细内容塞曼效应，英文:Zeeman effect,是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的.他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂。
随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成3条的原因。
这种现象称为“塞曼效应”。
进一步的研究发现，很多原子的光谱在磁场中的分裂情况非常复杂，称为反常塞曼效应。
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。
在外磁场中，总自旋为零的原子表现出正常塞曼效应，总自旋不为零的原子表现出反常塞曼效应。
塞曼效应是继1845年法拉第效应和1875年克尔效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例。
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。
理论发展1896年，荷兰物理学家塞曼使用半径10英尺的凹形罗兰光栅观察磁场中的钠火焰的光谱，他发现钠的D谱线似乎出现了加宽的现象。
近代综合塞曼 - 副本
21
光源
+ σ σ π σ
横效应 纵效应
图2.的 埃谱线的塞曼分裂。 本实验光源为汞放电管，研究Hg的5461埃谱线的塞曼分裂。Hg 埃谱线的塞曼分裂 5461Å绿线是 绿线是{6S7S}3S1→ {6S6P}3P2能级跃迁产生的。 能级跃迁产生的。 绿线是 能级跃迁产生的
r B
r r r M = µj × B
10
在外磁场的作用下,原子总角动量PJ和磁距µ 在外磁场的作用下,原子总角动量PJ和磁距µ J 绕磁场 PJ和磁距 方向进动，原子在磁场中的附加能量∆ 方向进动，原子在磁场中的附加能量∆E如（1）式。 角动量在磁场中取向是量子化的， 角动量在磁场中取向是量子化的， 如（2）式所示，这样附加能量 式所示， 又可表示为（ 又可表示为（3）式
∆E = − µ J B cos α = g e p J B cos β 2m
(1)
p J cos β = M h,
M = J , J − 1, L ,− J
M称为磁量子数
(2)
eh ∆E = Mg B = Mgµ B B (3) 11 2m 其中µ B 称为玻尔磁子
的光谱线是由原子的上能级E 设频率为 的光谱线是由原子的上能级E2跃迁到下能 所产生的， 级E1所产生的，则此谱线的频率满足
ν
hv = E2 − E1
在外磁场中， 在外磁场中，上下能级都将获得一个附加能量
∆E2 = M2 g2µB B ∆E1 = M1g1µB B
因此，每个能级各分裂成个2J 个子能级. 因此，每个能级各分裂成个2J2＋1和2J1＋1个子能级. 在磁场中，分裂后谱线频率为νˊ 在磁场中，分裂后谱线频率为ν 分裂后的谱线与原谱线的频率差∆ 分裂后的谱线与原谱线的频率差∆ ν为
实验1 塞曼效应
实验一 塞曼效应0 前言塞曼效应实验是物理史上一个著名的实验，是荷兰物理学家皮特尔∙塞曼（Pieter .Zeeman ）于1896年发现：当光源置于外磁场中时，光源发出的每一条光谱线将分裂成几条波长相差很小的偏振化谱线的现象。
塞曼发现了这一效应，很快由当时洛仑兹(H. A. Lorentz )给出了解释，他俩荣获了1902年度诺贝尔物理奖。
塞曼效应有正常塞曼效应和反常塞曼效应。
后来乌仑贝克—古兹米提出电子自旋的假设更好地解释了塞曼效应。
从塞曼效应实验中可得到有关能级的数据，从而计算电子荷质比em e等，是研究能级结构的重要方法之一。
这一效应是继法拉第效应、克尔效应之后发现第三个磁场对光影响的例子，使得人们对物质的光谱，原子和分子有了更多的理解。
也是三个近代物理实验“史特恩—盖拉赫实验、碱金属双线、塞曼效应”之一，是直接证明空间量子化提供实验依据，推动量子理论的发展起了重要作用。
本实验观察汞nm 1.546（绿色）光谱线的塞曼效应。
1 实验目的1.了解和掌握WPZ-Ⅲ型塞曼效应仪和利用其研究谱线的精细结构。
2.了解法布里-珀罗干涉仪的的结构和原理及利用它测量微小波长差值。
3.观察汞nm 1.546（绿色）光谱线的塞曼效应，测量它分裂的波长差，并计算电子的荷质比（e m e）的实验值和标准值比较。
2 原理2．1 塞曼效应原理要了解谱线在磁场中的分裂现象，我们先看看光源与磁场如何发生相互作用。
具有总磁矩为J μ的原子体系，在外磁场为B 中具有的附加能为E ∆= -J μ*B-------------------------------------------- (1—1)这里取B的方向沿z 轴。
当外磁场B 不足以破坏电子自旋—轨道耦合时，即B 为弱磁场，引起附加的能量为：E ∆= -z μB =B g m B J J μ ----------------------------------- (1—2) 其中z μ为J μ在z 方向投影，J m 为角动量J 在z 方向投影的磁量子数，有12+J 个值，B μ=em ehπ4称为玻尔磁子，J g 为朗德因子，其值为J g =)1(2)1()1()1(1++++-++J J S S L L J J -------------------------- (1—3)即附加能量有12+J 个可能值，也就是说由于磁场的作用，使原来的一个能级分裂成12+J 个子能级，而能级间隔为B g B J μ。
实验1 塞曼效应
实验1 塞曼效应塞曼效应是指在磁场中观察原子光谱的一种现象，它是由磁场对原子能级的影响所引起的。
具体来说，在磁场作用下，原子的能级会发生分裂，使得原子光谱的锐线会变成多条锐线，这些锐线的位置和强度与磁场的大小和方向有关。
塞曼效应最早于1896年由德国物理学家约翰·克尔提出，并由法国物理学家皮埃尔·塞曼于1897年进行了实验证实。
在这个实验中，他们利用了氢原子的光谱，在强磁场作用下观察光谱的变化。
实验结果表明，光谱中的锐线被分裂成了多条锐线，这些锐线的位置和强度与磁场的大小和方向有关。
塞曼效应的实现需要满足一定的条件。
首先，磁场的大小必须足够强，以使得磁作用能够影响到原子的能级；其次，原子光谱的谱线必须足够锐利，这样才能观察到明显的分裂现象；最后，要求原子光谱中有磁感应强度非零的光谱线。
在实验中，我们可以利用灯谱仪和磁铁来达到观察塞曼效应的目的。
首先，我们将氢气放置在灯谱仪中，并通过电激发氢气来产生氢原子的光谱。
然后，我们将磁铁放置在灯谱仪的侧面，使得磁场垂直于氢原子的运动方向。
最后，我们观察光谱，发现原本单一的锐线被分裂成了多条锐线，这些锐线的位置和强度与磁场的大小和方向有密切关系。
塞曼效应的表现形式包括正常塞曼效应和反常塞曼效应。
正常塞曼效应是指在磁场作用下，原本没有自旋的原子发生分裂，其中一部分能级对应的电子的自旋方向与磁场方向相同，另一部分对应的电子自旋方向与磁场方向相反。
反常塞曼效应则是指在磁场作用下，原本有自旋的原子发生分裂，其中一部分能级对应的电子继续沿原来的自旋方向旋转，另一部分能级对应的电子改变自旋方向旋转。
塞曼效应的研究不仅有重要的基础物理意义，也有实际应用价值。
在实际应用中，塞曼效应可以用来研究物质的磁性质，例如铁、镍等磁性材料的塞曼效应特征可以用来测量它们的磁矩和磁场强度，这对于材料科学和工程学都有重要的应用。
此外，塞曼效应也可以应用于核磁共振成像技术中，通过使用强磁场和高频电磁波来观察人体组织的图像，可以实现人体的无创诊断。
塞曼效应(中国科学技术大学大物实验)
2.1.1 塞曼效应赵龙宇 PB06005068（本文内容选自高等教育出版社《大学物理实验》）塞曼效应实验是物理学史上一个著名的实验，在1896年，塞曼（Zeeman ）发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体，使其光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应，塞曼效应的实验证实了原子具有磁矩和空间取向的量子化，并得到洛伦兹理论的解释。
1902年塞曼因这一发现与洛伦兹（H.A.Lorentz ）共享诺贝尔物理学奖金。
至今，塞曼效应仍然是研究原子内部能级结构的重要方法。
实验原理1． 谱线在磁场中的能级分裂对于多电子原子，角动量之间的相互作用有LS 耦合模型和JJ 耦合某型。
对于LS 耦合，电子之间的轨道与轨道角动量的耦合作用及电子间自旋与自旋角动量的耦合作用强，而每个电子的轨道与自旋角动量耦合作用弱。
原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩。
总磁矩在磁场中受到力矩的作用而绕磁场方向旋进，可以证明旋进所引起的附加能量为B Mg E B μ=∆ （1） 其中M 为磁量子数，μB 为玻尔磁子，B 为磁感应强度，g 是朗德因子。
朗德因子g 表征原子的总磁矩和总角动量的关系，定义为)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g （2） 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。
磁量子数M 只能取J ，J-1，J-2，…，-J ，共（2J+1）个值，也即E ∆有（2J+1）个可能值。
这就是说，无磁场时的一个能级，在外磁场的作用下将分裂成（2J+1）个能级。
由式（1）还可以看到，分裂的能级是等间隔的，且能级间隔正比于外磁场B 以及朗德因子g 。
能级E 1和E 2之间的跃迁产生频率为v 的光，12E E hv -=在磁场中，若上、下能级都发生分裂，新谱线的频率v ’与能级的关系为B g M g M hv E E E E E E E E hv B μ)()()()()('112212121122-+=∆-∆+-=∆+-∆+= 分裂后谱线与原谱线的频率差为h B g M g M v v v B μ)('1122-=-=∆ （3） 代入玻尔磁子m eh B πμ4=，得到 B me g M g M v π4)(1122-=∆ （4） 等式两边同除以c ，可将式（4）表示为波数差的形式 B mc e g M g M πσ4)(1122-=∆ （5） 令 mceB L π4= 则 L g M g M )(1122-=∆σ （6）L 称为洛伦兹单位，117.46--⋅⨯=T m B L （7）塞曼跃迁的选择定则为：0=∆M ，为π成为，是振动方向平行于磁场的线偏振光，只在垂直于磁场的方向上才能观察到，平行于磁场的方向上观察不到，但当0=∆J 时，02=M 到01=M 的跃迁被禁止；1±=∆M ，为σ成分，垂直于磁场观察时为振动垂直于磁场的线偏振光，沿磁场正向观察时，1+=∆M 为右旋圆偏振光，1-=∆M 为左旋圆偏振光。
近代物理实验3-5 塞曼效应
实验原理
（一）谱线在磁场中的分裂
根据量子理论，当光源处于磁场B中，能级E要发生分裂，其附加能
量为
E MgB B
M为磁量子数，g是朗德因子，μB为玻尔磁子
B =
e 2me
9.2741024 J
T 1
当光源未受磁场作用时，设电子由E2能级 向E1能级跃迁，产生频率为λ的谱线；
hv E2 E1
利用高分辨光谱仪如法布里玻罗标准具或大型光栅摄谱仪等分光设备观察和拍摄汞灯谱线5461nm的塞曼效应并测量它的二仪器用具磁场7600高斯wrj40型晶体管直流稳压电源汞辉光放电管霓虹灯变压器fpb1型法布里珀罗标准具投射干涉滤光片偏振片透镜测微目镜
塞曼效应
0910200 方啸
一、实验目的 掌握观测塞曼效应的实验方法，掌握塞曼效 应的有关理论。 利用高分辨光谱仪（如法布里－玻罗标准具 或大型光栅摄谱仪等分光设备）观察和拍摄 汞灯谱线546.1nm的塞曼效应，并测量它的 波长差和荷质比。 二、仪器用具 磁场（7600高斯）、WRJ-40型晶体管直流稳 压电源、汞辉光放电管、霓虹灯变压器、 FPB-1型法布里-珀罗标准具、投射干涉滤光 片、偏振片、透镜、测微目镜。
当光源受磁场作用，能级发生分裂，上下能级分别表示为E2+ΔE2、 E1+ ΔE1；它们之间的跃迁产生频率为ν’的新谱线，有
h ' h (M 2 g2 M1g1)BB
得到波数差为
1 1
'
(M
2
g2
M1g1
)
L c
L为洛伦兹单位
L B B eB , L B 46.7m1 T 1 h 4 mec
3-5塞曼效应
eB 4 me c
六、参考文献
1、褚圣麟，原子物理学，人民教育出版社，1979 2、母国光，战元龄，光学，人民教育出版社，1978
cos i
f f2( D 2 ) 2
D2 1 8f2
三、实验原理
对同一级，不同波长λa、λb，其波数差为
ab
1 Db 2 Da 2 a b ( ) 2d Dk 12 Dk 2
四、实验装置
五、实验内容
（一）调整光路，观察塞曼现象 1、点亮汞灯，把透镜置于光源和标准具之间适当位置，让光充满标准具，用眼睛直接观察到标准具视场中 布满一系列干涉条纹（绿色）。 2、调节标准具，直到眼睛上下左右移动都没有明显缩冒现象为止。 3、在标准具后安装透镜和目镜，调节两者的相对位置以看清各干涉环。 4、开启稳压电源，调节电流为一定值，取相邻两级次的π成分进行测量。
实验3-5 塞曼效应
OUTLINE
一、背景知识 二、实验目的 三、实验原理 四、实验装置 五、实验内容 六、参考文献
一、实验背景
塞曼效应是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的。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。
实验研究汞546.1nm的塞曼分裂。汞绿线是的跃迁结果。 跃迁选择定则ΔM=0,ΔM=±1
三、实验原理
1、ΔM=0时，产生3条π线。沿垂直磁场方向观测，π线为振动方向平行于磁场的线偏振光；沿磁场方向观
测不到π线。
2、 ΔM=±1时，产生6条σ线。沿垂直磁场方向观测，σ线为振动方向垂直于磁场的线偏振光；沿磁场方向
实验58 塞曼效应.
实验58 塞曼效应1896年塞曼(Pieter Zeeman 1865—1943荷兰物理学家发现把光源置于足够强的磁场中时,光源发出的每一条谱线都分裂为若干条偏振化谱线,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。
早年把那些谱线分裂为三条,而裂距按波束计算正好等于一个洛仑兹单位的现象叫做正常塞曼效应(洛仑兹单位L=eB/4πmc 。
正常塞曼效应用经典理论就能给予解释。
实际上大多数物质的谱线在磁场中分裂的谱线多于三条,谱线的裂距可以大于也可以小于一个洛仑兹单位,人们称这类现象为反常塞曼效应。
反常塞曼效应只有用量子理论才能得到满意的解释。
从塞曼效应得实验结果中可以得到有关能级分裂的数据,即由能级分裂的个数可以知道能级的J 值,由能级的裂距可以知道g 因子。
塞曼效应证实了原子具有磁矩与空间取向量子化,有力地支持了光的电磁理论,至今仍然是考察原子结构的最有效的方法,并且该效应在现代激光技术中也有着重要应用。
【实验目的】1.掌握法布里-珀罗标准具的原理及使用,CCD 摄像器件在图像传感中的应用。
2.通过对Hg 546.1nm 光谱线的塞曼效应的研究,观察磁场对谱线的影响。
3.掌握塞曼效应理论,测定电子的荷质比。
【实验仪器】WPZ —Ⅲ型塞曼效应仪【实验原理】电子自旋和轨道运动使原子具有一定的磁矩。
在外磁场中,原子磁矩与磁场相互作用,使原子系统附加了磁作用能ΔE 。
又由于电子轨道和自旋的空间量子化。
这种磁相互作用能只能取有限个分立的值,此时原子系统的总能量为:004gE E E ehE M B mπ=+∆=+ (1 式中E 0为未加磁场时的能量,M 为磁量子数,B 为外加磁场的磁感应强度,e 为电子电量,m 为电子质量,h 为普朗克常数,g 为朗德因子。
朗德因子的值与原子能级的总角动量J 、自旋量子数S 和轨道量子数L 有关,在L -S 耦合情况下:1(1(1(12(1g J J S S L L J J =++++--+ (2由于J 一定时,M =J ,J -1,…-J 。
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由光谱区很小，通常要选用常规光谱仪分出一条条光谱线
后，再用标准具进一步分光。
在法布里-波罗标准具的投射光中，相邻两光束的光程差
为 2nd cosi，在空气中n=1，所以 2d cosi
当光程差等于波长的整数倍时，形成干涉环，即对于k极
干涉环，满足 k 2d cosi
cosi
f
1 D2
塞曼效应实验与斯特恩-盖拉赫实验还有碱金属光谱双线一样 有力证明了电子具有自旋，能级的分裂是由于电子轨道磁矩与 自旋磁矩相互作用的结果。
通过Zeeman效应实验，可由能级分裂的个数知道能级的J值， 由能级的裂距可知g因子；如果原子遵从LS耦合，则可由g值判 断该能级的L和S值。
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讲解：XX
f 2 D 2
8f 2
2
2d(1 D2 ) k
8f 2
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讲解：XX
8
对同一波长光产生的相邻两级k和k-1线，干涉条纹直径平方之 差表示为
对同一级不同波长a 和 b的波长差 ab
用波数差表示为
ab
a
b
1 2d
Da2b D 2
a
b
2
2d
( Db2 Da2 ) Dk21 Dk2
线为振动方向平行于磁场的线偏振光。沿磁场 方向观测不到 线。
当
时，产生6条 线。沿垂直磁场方向观
测， 线为振动方向垂直于磁场的线偏振光。沿
磁场方向观测， 线为圆偏振光。
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讲解：XX
7
二、用标准具测量波数差：法布里-波罗标准具的分辨本领可
达 ，故常用标准具来观测塞曼效应。但由于标准具的自
开启稳压电源电流为一定值，可看到干涉环。未加磁场时
的一个干涉环在磁场中分裂成9条干涉环，其中3条为成分， 取相邻两级次的 成分进行测量，如图3-5-6所示。
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讲解：XX
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（二）测量并计算波长差
ab
a
b
1 2d
Da2b D 2
式中Da2b 为同一干涉级相邻两干涉环直径平方差，即
Da2b
3
实验目的
一、深入理解塞曼效应的理论原理； 二、复习并熟悉标准具的原理及使用； 三、通过实验来观察塞曼分裂的现象，并测量波数差及电子
的荷质比。
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讲解：XX
4
实验原理
一、谱线在磁场中的分裂：有磁场B时能级E发生分裂，附加能
量
；率变化为 相应的波束差为
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讲解：XX
5
本实验研究汞546.1nm的塞曼分裂。汞绿线546.1nm是
跃迁 ，两能级的M值为
和
塞曼效应的选择定则是
故在外磁场作用下，546.1nm线的分裂情况可由下图显示，即
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讲解：XX
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其中对应
的线与原谱线相同，各相
邻的分裂谱线波数差是L/2。
当 时，产生3条 线。沿垂直磁场方向观测，
此式就是实验中用以计算波数差的公式。
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讲解：XX
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实验装置
实验装置由磁场、光源、分光系统和观测系统等四大 部分组成。其中O为光源；、为透镜；P为偏振片；F 为干涉滤光片；F-P为标准具；1为磁场；2为激磁电源。
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实验内容
（一）调整光路，观察塞曼现象 点亮汞灯。把透镜置于光源和标准具之间适当的位置，让
光充满标准具。由于标准具前已放置滤光片 ，水银光谱的其 他成分已被滤除。
调节标准具。若标准具两反射面不平行，则眼睛在垂直于 光轴的平行平面内上、下、左、右移动时，将会看到干涉环 的缩冒现象，这时需调节标准具的三个调节旋钮。
在标准具后安置透镜和目镜，调节两者的相对位置以看清 各干涉环。注意整个光学系统应共轴，否则视场不够明亮。 调节目镜位置使目镜叉丝大体与干涉环直径重合。
1 4
( D22
D12 ) (D32
D22 ) (D52
D
2 4
)
(
D62
D52 )
1 4
( D32
D12 ) (D62
D42 )
D2为同一波长相邻两级次的环直径平方差 D2 D52 D22
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讲解：XX
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（三）测量并计算荷质比 对于正常塞曼效应，分裂谱线的波束差为
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目录
• 一、背景知识； • 二、实验目的； • 三、实验原理； • 四、实验装置； • 五、实验内容。
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背景知识
1896年，荷兰著名的物理学家塞曼Zeeman将光源置于强磁场 中，研究磁场对谱线的影响发现：原来的一条光谱线分裂成几 条光谱线，分裂的谱线成分为偏振。
L eB 4mc
进而荷质比为
e 2c Da2b
m dB D 2
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讲解：XX
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