汞谱线的反常塞曼效应与电子荷质比的精确测量
塞曼效应实验报告
近代物理实验报告塞曼效应实验学院班级姓名学号时间 2014年3月16日塞曼效应实验实验报告【摘要】：本实验通过塞曼效应仪与一些观察装置观察汞（Hg）谱线（3S1→3P2跃迁）的塞曼分裂，从理论上解释、分析实验现象，而后给出横效应塞满分裂线的波数增量，最后得出荷质比。
【关键词】：塞曼效应、汞、横效应、塞满分裂线、荷质比【引言】：塞曼效应是原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象，是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的。
首先他发现，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”。
在后来进一步研究发现，很多原子的光谱在磁场中的分裂情况有别于前面的分裂情况，更为复杂，称为反常塞曼效应。
塞曼效应的发现使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解，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。
本实验采取Fabry-Perot（以下简称F-P）标准具观察Hg的谱线的塞曼效应，同时利用塞满效应测量电子的荷质比。
【正文】：一、塞曼分裂谱线与原谱线关系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（P J）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为方便起见，常表示为波数差定义为洛仑兹单位：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。
塞曼效应实验报告_5
1.前言和实验目的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546.1nm （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的实验值和标准值比较。
2.实验原理处于磁场中的原子, 由于电子的 不同而引起能级的分裂, 导致跃迁时发出的光子的频率产生分裂的现象就成为塞曼效应。
下面具体给出公式推导处于弱磁场作用下的电子跃迁所带来的能级分裂大小。
总磁矩为 的原子体系, 在外磁场为 中具有的附加能为：E ∆= -J μ*B由于我们考虑的是反常塞曼效应, 即磁场为弱磁场, 认为不足以破坏电子的轨道-自旋耦合。
则我们有:E ∆= -z μB =B g m B J J μ其中 为 在 方向投影, 为角动量 在 方向投影的磁量子数, 有 个值, = 称为玻尔磁子, 为朗德因子, 其值为J g =)1(2)1()1()1(1++++-++J J S S L L J J由于 有 个值, 所以处于磁场中将分裂为 个能级, 能级间隔为 。
当没有磁场时, 能级处于简并态, 电子的态由n,l,j （n,l,s ）确定, 跃迁的选择定则为Δs=0, Δl= .而处于磁场中时, 电子的态由n,l,j, , 选择定则为Δs=0, Δl= , 。
磁场作用下能级之间的跃迁发出的谱线频率变为:)()(1122'E E E E hv ∆+-∆+==h ν+(1122g m g m -)B μB分裂的谱线与原谱线的频率差 为:ν∆='ν-ν=h B g m g m B /)(1122μ-、 λ∆=cνλ∆2=2λ (1122g m g m -)B μB /hc =2λ (1122g m g m -)L ~式中L ~=hc B B μ=ecm eB π4≈B 467.0称为洛仑兹单位（裂距单位）。
所以电子的荷质比:e m e =B c π4 ·11221g m g m -·2λλ∆ 塞曼能级跃迁的选择定则和偏振定则:表 1选择定则 横向观察 纵向观察 Δm =O 直线偏振光(π) 无光Δm =+1 直线偏振光(+σ) 左旋圆偏振光(+σ) Δm =-1直线偏振光(-σ)右旋圆偏振光(-σ)本实验使用的汞绿光 （ , 我们以式（1—5）及能级跃迁的选择定则来分析此反常塞曼效应。
塞曼效应——精选推荐
塞曼效应一、实验目的1. 利用高分辨光谱仪器法布里—珀罗（Fabry —Perot ）标准具研究汞546.1nm 光谱线的塞曼（Zeeman ）效应，并测量塞曼分裂的波长差； 2. 学习用光谱学的方法，测定电子比荷m e 的值。
二、实验原理1862年，法拉第（M.Faraday ）试图观察磁场对光谱线的影响，由于所用仪器分辨率小而未有所获。
1896年塞曼（P .Zeeman ）使用强磁场和精密的光谱仪器，在垂直于磁场方向观察（横效应），发现在磁场作用下，镉原子光谱中波数为v ~的一条谱线分裂为v v~~∆+、v ~、v v ~~∆-三条平面偏振化谱线的现象。
中间一条波数未变化的谱线，其电矢量平行于磁场，称为π成分，分裂的两条谱线的电矢量垂直于磁场，称为σ成分；当沿着平行于磁场方向观察（纵效应）时，只能见到v v~~∆-与v v ~~∆+两条左旋和右旋的圆偏振光，π成分则不出现，人们习惯把以上现象称为正常塞曼效应。
进一步根据量子理论研究发现当自旋量子数0=S 时，只有原子轨道磁矩和磁场相互作用，这种情况产生正常塞曼效应。
但是如果自旋量子数0≠S ，且磁场不太强时，原子的轨道磁矩与自旋磁矩先耦合再和磁场作用，从而会出现谱线分裂多于三条的情况，这就是反常塞曼效应。
如果磁场强度逐渐增强，原子的轨道磁矩与自旋磁矩分别和磁场作用，反常塞曼效应又转变为正常塞曼效应，复杂的分裂图形变为简单的洛伦兹（Lorentz ）三垂线，此现象叫磁光转变或帕邢—巴克（Paschen —Back ）效应。
1. 原子的总磁矩与总角动量的关系在忽略核磁矩的情况下，原子的总磁矩等于电子的轨道磁矩L μ 与电子自旋磁矩Sμ之和，分别由轨道角动量L P 和自旋角动量S P 产生。
它们之间的关系为L L P m e⋅-=e2μ和S S P m e⋅-=eμ（如图1所示）。
按量子力学 )1(+=L L P L ， )1(+=S S P S ，S L ，分别为轨道量子数和自旋量子数。
塞曼效应实验报告
1、前言和实验目的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546.1nm （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的实验值和标准值比较。
2、实验原理处于磁场中的原子，由于电子的j m 不同而引起能级的分裂，导致跃迁时发出的光子的频率产生分裂的现象就成为塞曼效应。
下面具体给出公式推导处于弱磁场作用下的电子跃迁所带来的能级分裂大小。
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由于我们考虑的是反常塞曼效应，即磁场为弱磁场，认为不足以破坏电子的轨道-自旋耦合。
则我们有：E ∆= -z μB =B g m B J J μ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由于J m 有12+J 个值，所以处于磁场中将分裂为12+J 个能级，能级间隔为B g B J μ。
当没有磁场时，能级处于简并态，电子的态由n,l,j （n,l,s ）确定，跃迁的选择定则为Δs=0, Δl=1±.而处于磁场中时，电子的态由n,l,j,J m ，选择定则为Δs=0，Δl=1±，1±=∆j m 。
磁场作用下能级之间的跃迁发出的谱线频率变为：)()(1122'E E E E hv ∆+-∆+==h ν+(1122g m g m -)B μB分裂的谱线与原谱线的频率差ν∆为：ν∆='ν-ν=h B g m g m B /)(1122μ-、 λ∆=cνλ∆2=2λ (1122g m g m -)B μB /hc =2λ (1122g m g m -)L ~式中L ~=hc B B μ=ecm eB π4≈B 467.0称为洛仑兹单位（裂距单位）。
实验-塞曼效应
实验三 塞曼效应实验目的：1．观察汞5461埃光谱线的塞曼效应，并测量它分裂的波长差。
2．测定电子的荷质比e/m 值。
实验原理：当光源置于外磁场中，光源发出的每一条光谱线都将分裂成几条波长相差很小的偏振化分谱线，这一现象称为塞曼效应。
设原子某一能级的能量为E 0，在磁感应强度为B 的外磁场的作用下，原子将获得附加的能量∆E ：∆E=Mg B μ BM 为磁量子。
M=J,J-1,…..,-J,共有(2J+1)个值。
因此，原来的一个能级将分裂成(2J+1)个子能级。
子能级的间隔相等，并正比于B 和朗德因子g ，对于L-S 耦合的情况：g=1+)1(2)1()1()1(++-+++J J L L S S J J式中B μ为玻尔磁子，B μ=mhe π4。
设频率为υ的光谱线是由原子的上能级E 2跃迁到下能级E 1所产生（h υ= E 2- E 1），在外磁场的作用下，上下两能级各获得附加能量∆E 2，∆E 1，因此，每个能级各分裂成（2J 2+1）个和（2J 1+1）个子能级。
这样，上下两个子能级之间的跃迁，将发出频率为υ'的谱线，并有h υ'=（E 2+∆E 2）-（ E 1+∆E 1）= （E 2- E 1）+（∆E2-∆E 1）= h υ+（M 2g 2- M 1g 1）B μ B分裂后的谱线与原谱线的频率差将为∆υ=（M 2g 2- M 1g 1）B μB/hc=（M 2g 2- M 1g 1）L其中L=B μB/hc=4.67*105-B(cm 1-)L 称为洛仑兹单位，正是正常塞曼效应所分裂的裂距。
在能级跃迁时，磁量子数受到选择性定则和偏振定则所限制。
1.选择性定则：∆M =M 2- M 1=0（当∆J=0 M 1=0 M 2=0 被禁止） ∆M=±1 2.偏振性定则：说明：1.K 为光传播方向矢量，H为外磁场方向。
2. π成分表示光波的电矢量E 平行于B ，σ成分表示E 垂直于B.3.在光学中，如果光线对于观察者迎面而来，这时电矢量若按逆时针方向旋转，我们称之为左旋圆偏振光；若逆时针方向旋转，则称之为右旋圆偏振光。
塞曼效应测量电子荷质比
毕业设计(论文)题目塞曼效应测量电子荷质比学院名称核科学技术学院指导教师谢安平职称副教授班级核技065 学号 20064530511 学生姓名韩楷2010年5月29日南华大学毕业设计（论文）任务书学院：核科学技术学院题目：塞曼效应测量电子荷质比起止时间： 2009.12至 2010.5学生姓名：韩楷专业班级：核技065指导教师：谢安平教研室主任：院长：肖德涛2009年11月25日设计（论文）内容及要求：内容：1、塞曼效应有关知识；2、国内外塞曼效应实验测量技术应用现状；3、反常塞曼效应分析；4、塞曼效应测量电子荷质比实验。
要求：1、调研并做出设计进度安排，写出开题报告；2、收集查找足够多的资料；3、翻译一篇英文资料；4、完成实验的测量计算，整理和分析实验数据5、按格式、字数等要求撰写论文；6、将答辩论文制作成PPT文件。
主要参考：1、原子及原子核相关书籍、论文；2、塞曼效应实验讲义及相关书籍、论文；3、数据处理的相关书籍、论文。
指导教师：谢安平2009年 11 月 25 日摘要：1896年发现的塞曼效应被誉为是物理学上继X射线之后的一大发现，科学家塞曼也因关于这一现象的研究而荣获1902年度的诺贝尔物理学奖，塞曼效应分为正常塞曼效应和反常塞曼效应，我们利用塞曼效应的原理测量电子荷质比，在现实中，塞曼效应主要应用于光谱背景的校正。
本文回顾了塞曼效应的发现背景，介绍了正常塞曼效应和反常塞曼效应的实验现象和理论解释，并对二者进行了深入的比较，调查了塞曼效应在光谱背景校正领域的应用。
最后，本文着重记录了利用塞曼效应测量电子荷质比的实验的全过程关键词：正常塞曼效应反常塞曼效应荷质比光谱校正Summary：the Zeeman effect found in 1896 is known as another big discovery after the discovery of X-ray , scientist Zeeman who researches on this phenomenon won the 1902 Nobel Prize in Physics, Zeeman effect include normal Zeeman effect and the anomalous Zeeman effect, we use the Zeeman effect in the measurement of electronic charge to mass ratio, in reality, the Zeeman effect mainly used in background correction.This paper reviews the discovery background of the Zeeman effect , describes the normal Zeeman effect and the anomalous Zeeman effect of the experimental results and theoretical interpretation, and show the comparison of the two in-depth 。
塞曼实验报告
一、实验目的1. 通过实验观察塞曼效应现象，加深对原子物理中塞曼效应理论的理解。
2. 掌握使用光栅摄谱仪、偏振片等实验仪器的操作方法。
3. 通过实验测定电子的荷质比，验证量子力学的基本原理。
二、实验原理塞曼效应是指当原子处于外磁场中时，其能级发生分裂的现象。
根据量子力学理论，电子在外磁场中的运动受到磁矩与磁场相互作用的约束，导致能级分裂。
实验中，通过观察汞谱线的塞曼分裂，可以测定电子的荷质比，并验证量子力学的基本原理。
三、实验仪器1. 光栅摄谱仪2. 偏振片3. 汞灯4. 电磁铁5. 聚光透镜6. 546nm滤光片7. 记录仪四、实验步骤1. 将汞灯放置在光栅摄谱仪的入射光路中，调节光栅和汞灯的位置，使汞灯发出的光通过光栅。
2. 在光栅摄谱仪的出射光路中，放置偏振片，调节其角度，观察偏振光的性质。
3. 将汞灯放置在电磁铁的磁场中，调节电磁铁的电流，使磁场强度逐渐增大。
4. 观察汞灯发出的光谱线，记录其位置和亮度变化。
5. 改变电磁铁的电流，重复上述步骤，观察光谱线的分裂情况。
6. 利用记录仪记录光谱线的位置和亮度变化，绘制塞曼分裂谱线图。
五、实验结果与分析1. 观察到汞灯发出的光谱线在电磁铁的磁场中发生分裂，分裂的条数随磁场强度的增大而增加。
2. 根据塞曼效应理论，分裂的条数与能级分裂的数目相等。
通过计算分裂的条数，可以推算出电子的荷质比。
3. 通过实验测定的电子荷质比与理论值相符，验证了量子力学的基本原理。
六、实验讨论1. 实验过程中，电磁铁的磁场强度对塞曼效应的影响较大。
在实验过程中，应严格控制电磁铁的电流，以保证实验结果的准确性。
2. 在实验过程中，观察光谱线时，应注意观察其位置和亮度变化，以便准确记录实验数据。
3. 实验过程中，应保持实验环境的清洁和稳定，以减小外界因素对实验结果的影响。
七、结论通过本次实验，我们成功观察到了塞曼效应现象，并利用实验数据测定了电子的荷质比。
实验结果表明，量子力学的基本原理在原子物理中得到了验证。
塞曼效应实验报告
塞曼效应实验一、 实验目的1、理解塞曼效应的相关理论，观察汞546.1nm 谱线在磁场中分裂的情况，加深对原子结构的认识。
2、掌握法布里—珀罗(F P -)标准具的干涉原理及其调整方法。
3、测量汞谱线在磁场中分裂的裂距，并计算出电子荷质比e/m 的值。
二、 实验仪器电磁铁、笔形汞灯、聚光透镜、法布里－珀罗标准具、偏振片、滤光片、读数显微镜、高斯计三、 实验原理1、法布里—珀罗标准具（1）法布里—珀罗标准具的原理及性能构成：F-P 标准具由两块平面玻璃板中间夹一个间隔圈组成。
平面玻璃内表面有高反射膜，间隔圈精加工成一定厚度使两玻璃板平行。
原理：单色光在F-P 标准具中产生干涉，光程差2cos l nd θ∆= 。
所有的平行光束都在透镜焦平面上形成干涉条纹，形成干涉极大亮条纹条件2cos d k θλ=性能：不同的K 对应不同的θ。
如果采用扩展光源照明，F P -标准具产生等倾干涉，花纹是一组同心圆环。
（2）法布里—珀罗标准具的调节调节的目的就是使两个内表面平行，通过旋紧或者旋松调节，直到移动过程中无冒环或吸坏的现象就可以观察。
2、原理解释加入外磁场后，系统总能量增加朗德因子与J 、S 、 L 有关，一个J 对应着M=J,J-1,...,-J,所以磁场中每个能12341'2'3'4'图6.1级分裂为2J+1个子能级。
相邻能级间隔为4B ehgB g B mμπ= E 2跃迁到E 1，产生频率为ν的光谱线21h E E ν=-在外磁场作用下，上下两能级各获得附加能量2E ∆，1E ∆，因此，每个能级各分裂)12(2+J 个和)1(21+J 个子能级。
用F P -标准具求波数差，根据图6.4几何关系可得22cos 18D fθ=-将上式带入式（ 6.2）可得222[1]8D d k f λ-=对同一波长λ的相邻第k 和第1k -级两个圆环，其直径的平方差为222(1),,4k k f D Ddλλλ--=直径的平方差是一个与干涉级次k 无关的常量。
塞曼效应实验报告清华
一、实验目的1. 观察塞曼效应，理解其产生机理。
2. 通过实验测量电子的荷质比。
3. 学习应用塞曼效应测量磁感应强度。
二、实验原理塞曼效应是指在外磁场作用下，原子或分子的光谱线发生分裂的现象。
根据量子力学理论，当原子处于外磁场中时，其能级会发生分裂，导致光谱线分裂成多条偏振的谱线。
实验中，我们使用Fabry-Perot（F-P）标准具观察汞原子的546.1nm谱线的塞曼效应。
F-P标准具是一种高反射率的光学元件，可以用来产生干涉条纹。
当一束光通过F-P标准具时，会在两块平行玻璃板之间多次反射，形成干涉条纹。
根据塞曼效应的原理，当外磁场存在时，汞原子的能级发生分裂，导致光谱线分裂成多条偏振的谱线。
这些谱线在F-P标准具中会产生干涉，形成干涉条纹。
三、实验仪器1. 笔形汞灯2. 电磁铁装置3. 聚光透镜4. 偏振片5. 546nm滤光片6. F-P标准具（标准具间距d=2mm）7. 成像物镜与测微目镜组合而成的测量望远镜四、实验步骤1. 将笔形汞灯置于电磁铁装置中，调整电磁铁的电流，产生所需的外磁场。
2. 将F-P标准具放置在测量望远镜的光路上，调整标准具的间距，使干涉条纹清晰可见。
3. 通过偏振片观察干涉条纹，记录下干涉条纹的形状和位置。
4. 改变电磁铁的电流，观察干涉条纹的变化，记录下不同磁场强度下的干涉条纹数据。
五、实验结果与分析1. 实验结果表明，在外磁场作用下，汞原子的546.1nm谱线发生了分裂，形成多条偏振的谱线。
这些谱线在F-P标准具中产生干涉，形成干涉条纹。
2. 通过分析干涉条纹的形状和位置，可以计算出外磁场的强度。
3. 根据实验数据，我们可以计算出电子的荷质比。
六、实验结论1. 塞曼效应是原子在外磁场作用下能级分裂的现象，其机理可以用量子力学理论解释。
2. 通过实验，我们成功观察到了塞曼效应，并测量了外磁场的强度。
3. 通过计算，我们得到了电子的荷质比，验证了量子力学理论。
七、实验注意事项1. 实验过程中，注意安全，避免触电。
塞曼效应实验测量电子荷质比的误差原因查找
ｍ ｇ — ｚｚ ｍ ｇ 的取值则与形成干涉圆环 Ｄ 的分 裂谱线相对应 ， 可从有关资料上查得 。 为未加 Ｄ
磁场 时原 谱线 所形 成 的第 志 干涉 圆环 直 径 ， 级
，． ． １ 则为未加磁场时原谱线 所形成的第 ｋ 一 １ 级干涉圆环（ 围在第 ｋ 级干涉 圆环外围）的直 包 径， 未加磁场时相邻两级干涉圆环 的直径 的平方 差是一个与干涉级次 无关的常数 。 该型号塞曼效应实验装置附带的说明书提供
的教学 准备 过程 中 我 们 发现 ， 验 测 得 的 电子 的 实 荷 质 比比公 认值 （ ≈ １７８ １ｎ ／ ｇ 了 旦 ． ５８× ０ Ｃ ｋ ）小
Ｆｔ ｒ
很 多 ， 大 相 对 误 差 达 到 了 ５ ， 小 误 差 也 有 最 Ｏ 最
３ 。 Ｏ 例如有一组典型的实验测量数据见表 １ 。
汞原 子 能级 Ｅｚ或 Ｅ ）的 磁 量 子 数 和 朗 德 因 子 ， （
Ａ时电磁铁产生的磁场强度为 １２ 因此 ， ． Ｔ。 我们 要求学生在做实验时将稳压电源的输出电流调节 到 ２ ５ 这 样磁 场强 度 Ｂ — １２Ｔ， 已知 ｄ一 ． Ａ， ． 在 ２７ ｍ的条件下， ． ｍ 只需测量各干涉圆环 的直径就 可以依据式（） １ 计算 了。 但是在调试实验设备
一０ ０ ．１ Ｔ代人式（） ２ 计算不确定度（ 保持 ｚ Ｓ ０ ｄ一 ．
１ｍｍ 及 ｚ ＝ ０ ０ Ｘ Ｄ ． ５ｍｍ 不 变 ） 得 到 的 结 果 为 ， Ａ ｅｍ。≈ ０３ ７ １ｎ ／ ｇ 相对误 差应该 落 在 （／ ） ．５ × ０ Ｃ ｋ ， 士 ２ 的范 围之 内。 见 测 量结 果 的实 际 误 差仍 ０ 可 然 超 出了允 许 的误差 范 围 。 从式 （）还可 以看 出 ， 布 里 一 罗 标 准具 两 １ 法 珀
塞曼效应实验报告
近代物理实验报告塞曼效应实验学院班级姓名学号时间 2014年3月16日塞曼效应实验实验报告【摘要】：本实验通过塞曼效应仪与一些观察装置观察汞（Hg）546.1nm谱线（3S1→3P2跃迁）的塞曼分裂，从理论上解释、分析实验现象，而后给出横效应塞满分裂线的波数增量，最后得出荷质比。
【关键词】：塞曼效应、汞546.1nm、横效应、塞满分裂线、荷质比【引言】：塞曼效应是原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象，是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的。
首先他发现，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”。
在后来进一步研究发现，很多原子的光谱在磁场中的分裂情况有别于前面的分裂情况，更为复杂，称为反常塞曼效应。
塞曼效应的发现使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解，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。
本实验采取Fabry-Perot（以下简称F-P）标准具观察Hg的546.1nm谱线的塞曼效应，同时利用塞满效应测量电子的荷质比。
【正文】：一、塞曼分裂谱线与原谱线关系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（P J）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为方便起见，常表示为波数差定义为洛仑兹单位：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。
汞塞曼效应实验报告
一、实验目的1. 观察汞原子光谱线在磁场中的塞曼效应，验证塞曼效应的存在。
2. 研究塞曼效应的规律，分析其影响因素。
3. 掌握测量磁场强度的方法。
二、实验原理塞曼效应是指当原子或分子受到外磁场作用时，其能级发生分裂的现象。
根据能级分裂的情况，塞曼效应可分为正常塞曼效应和反常塞曼效应。
正常塞曼效应：当外磁场较小时，原子能级发生分裂，每条光谱线分裂成三条，分裂后的光谱线之间满足选择定则，即ΔM=±1。
反常塞曼效应：当外磁场较大时，原子能级发生更复杂的分裂，分裂后的光谱线之间不再满足选择定则。
本实验采用汞原子作为研究对象，其546.1nm绿光光谱线在磁场中发生正常塞曼效应。
实验原理如下：1. 原子磁矩和角动量关系：原子中的电子具有轨道角动量L和自旋角动量S，其矢量和即为总角动量J。
原子磁矩μ与总角动量J之间的关系为：μ = gμB(J·L + gS·S)其中，g为朗德因子，μB为玻尔磁子。
2. 原子在外磁场中的能级分裂：当外磁场存在时，原子能级发生分裂，分裂后的能级之间的能量差ΔE与磁场强度B之间的关系为：ΔE = μBΔM其中，ΔM为磁量子数的变化量。
3. 塞曼效应的光谱分裂：当原子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量也会发生分裂，分裂后的光子能量ΔE'与磁场强度B之间的关系为：ΔE' = μBΔM根据光子的能量和波长之间的关系，可以得到分裂后的光谱线之间的波长差Δλ与磁场强度B之间的关系为：Δλ = cΔE'/h其中，c为光速，h为普朗克常数。
三、实验仪器1. 汞原子灯：提供汞原子光谱线。
2. 电磁铁：提供磁场。
3. 法布里-珀罗标准具：用于观测光谱线的分裂。
4. 光栅摄谱仪：用于观测光谱线的波长。
5. 测微目镜：用于测量光谱线的波长差。
四、实验步骤1. 调节光路：将汞原子灯、电磁铁、法布里-珀罗标准具和光栅摄谱仪连接起来，调节光路，使汞原子光谱线通过法布里-珀罗标准具和光栅摄谱仪。
塞曼效应实验报告
（11）
其中，
（12）
称为洛伦兹单位。习惯上 的单位为 ，则式中磁感应强度 的单位为特斯拉
3、F-P标准具的原理及性能：
法布里-波罗标准具的分辨本领可达106，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，相邻两光束的光程为 ，在空气中n=1，所以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 。即 ，
二、实验仪器
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。分别由光源、透镜、偏振片、干涉滤光片、F-P标准具、磁场、激磁电源。他们一起构成了实验所用仪器。
三、实验步骤
1、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。
2、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。
（1）
其中 为朗德因子，与原子中所有电子德轨道和自旋角动量如何耦合成整个原子态的角动量密切相关。因此，
（2）
其中 是磁矩与外加磁场的夹角。又由于电子角动量空间取向的量子化，这种磁相互作用能只能取有限个分立的值，且电子的磁矩与总角动量的方向相反，因此在外磁场方向上，
（3）
式中 是普朗克常量， 是电子的总角动量， 是磁量子数。设： ，称为玻尔磁子， 为未加磁场时原子的能量，则原子在外在磁场中的总能量为
近代物理实验报告
塞曼效应
学院
班级
汞原子塞曼效应分裂谱线的完整观测与分析
ｕ 满足ｈ ｕ 一（ Ｅ ＋Ａ Ｅ ） ～（ Ｅ ＋Ａ Ｅ ） ， 分裂后的谱线与原谱线的波数差 △ 志 （ 是 一÷ １ 为
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ １ ０ － １ ２
基金项 目： 国家 自然 科 学 基 金 项 目 （ １ １ ２ ７ ４ ０ ８ ４ ） ． 通信作者 ： 杨建宋（ １ ９ ５ ７ 一） ， 男， 教授 ， 主要从事凝聚态物理和理论物理研究． Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ： ｙ ｊ ｓ ＠ｈ ｚ ｎ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
２． ３ ／ ２一 ｌ— ｌ ／ ２ Ｏ ｌ ｌ ／ ２ ｌ ３ ／ ２ ２
图 １ Ｈｇ ５ ４ ６ ． １ ｎ ｍ 能 级 分 裂 图
Ｆ ｉ ｇ ．１ Ｈｇ ５４ ６．１ ａｍ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｓ ｐｌ ｉ ｔ ｔ ｉ ｎｇ ｄｉ ａ ｇ ｒ ａｍ
图 ２ ａ 无磁场下的谱线 图
在 以往 的实验 中 ， 大家 比较 关注 谱 线 （ 特 别是 ７ 【 分量 ） 的位置 以及 利用 塞曼 效应 对 电子荷 质 比的计算 ，
对 分 量谱 线 的关注 相 对 就少 一 些 ， 其 中在 实 验 中对 ａ分 量谱 线 Ｋ级 前 三 条 的缺 失及 原 因 、 塞 曼分 裂 诸 谱线 相对 强度 的分 析更 是极 少 涉及 ． 而 笔者 认为 对 ａ分量 谱 线 的研 究 以 及各 谱 线 相 对 强度 的测 量对 深 刻 理解 塞曼 效应 也是 很 重要 的． 在 本文 中首先 对塞 曼效 应及 观 测 的物理 原理 进行 简单 回顾 ， 从 丌线 裂距结 合 电子 的荷 质 比确定 了汞 光源 所处 的磁 场 感应 强度 大小 ， 随后仔 细分 析 了塞 曼分 裂 的 。分量 谱线 图 ， 发现 Ｋ 级前 三条 在实 验观 测 中发生 缺 失 ， 结 合 干涉原 理 对此 进行 分 析 ， 在 文 章 的最 后对 各谱 线 的相对 强度 进行 了
从分裂波数差谈塞曼效应实验之电子荷质比的测量
象 [４ꎬ６ꎬ９] ꎬ这 ３ 条谱线相对光强较强ꎬ便于实验观
测ꎬ但若不作说明ꎬ则容易使学生误认为该方法测
量只限 于 这 ３ 条 π 谱 线ꎬ 造 成 理 解 上 的 偏 差ꎮ
３.(８) 式中的( Ｍ ２ ｇ ２ － Ｍ １ ｇ １ ) 项沿用( ３) 式结果有
(７)
联立(３) 得到电子荷质比测量的表达式:
Ｄ ２ａ －Ｄ ２ｂ
ｅ
２πｃ
＝
２
ｍ ( Ｍ ２ ｇ ２ －Ｍ １ ｇ １ ) ｄＢ Ｄ ｋ－１ －Ｄ ２ｋ
±１( ΔＪ ＝ ０ꎬＭ ２ ＝ ０ → Ｍ １ ＝ ０ 的跃迁被禁止) ꎮ 能级
跃迁及 谱 线 结 构 如 图 １ 所 示ꎮ 在 外 磁 场 中 汞
差的确定、错序法基本原理以及谱线错序花样等
方面的描述存在不够明晰之处ꎬ造成学生对实验
方法难以很好理解和掌握ꎬ影响实验进程和教学
效果ꎮ 通览塞曼效应实验内容ꎬ波数差概念贯串
于基本原理和测量方法始终ꎬ因此本文试从波数
差概念出发ꎬ对教材中存在的上述问题进行理清
收稿日期: ２０１９￣０８￣０８
ＤＯＩ:１０.１４１３９ / ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２￣１２２８.２０１９.０６.０１２
图 １ 汞 ５４６.１ ｎｍ 光谱线的塞曼分裂
欠严谨ꎮ 因为(３) 式是加磁场后分裂谱线对于原
５４６.１ ｎｍ谱线分裂成 ９ 条ꎬ在垂直于外磁场方向
ｄ
４ｆ ２ ｋ
(８)
需要指出的是:１.Ｄ ｋ 、Ｄ ｋ－１ 是相邻级次同波长
观察( 横向塞曼效应) ꎬ其中 ３ 条为 π 偏振光ꎬ振
谱线的干涉环直径ꎬ无论是 π 偏振光还是 σ 偏振
利用塞曼效应精确测定电子的荷质比
利用塞曼效应精确测定电子的荷质比【摘要】：1896年，荷兰物理学家塞曼（P.Zeeman ）在实验中发现，当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线会分裂成几条光谱线，分裂的条数随能级类别的不同而不同，且分裂的谱线是偏振光。
这种效应被称为塞曼效应。
需要首先指出的是，由于实验先后以及实验条件的缘故，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的现象叫做正常塞曼效应（洛伦兹单位mc eB L π4=）。
而实际上大多数谱线的塞曼分裂谱线多于三条，谱线的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。
反常塞曼效应是电子自旋假设的有力证据之一。
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的数据，如通过能级分裂的条数可以知道能级的J 值；通过能级的裂距可以知道g 因子。
【关键词】：正常塞曼效应；反常塞曼效应；电子的荷质比 0 引言塞曼效应的发现使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解，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。
本实验采取Fabry-Perot （以下简称F-P ）标准具观察Hg 的546.1nm 利用塞满效应测量电子的荷质比。
1 提出问题如何利用塞曼效应来精确计算电子的核质比呢？要达到这个目的，我们需要对此实验的现象和所涉及的理论进行必要的分析，下面就来实施这个过程。
（1）谱线在磁场中的能级分裂：设原子在无外磁场时的某个能级的能量为0E ，相应的总角动量量子数、轨道量子数、自旋量子数分别为S L J 、、。
当原子处于磁感应强度为B 的外磁场中时，这一原子能级将分裂为12+J 层。
各层能量为B Mg E E B μ+=0 （1）其中M 为磁量子数，它的取值为J ，1-J ，...，J -共12+J 个；g 为朗德因子；B μ为玻尔磁矩（mhcB πμ4=）；B 为磁感应强度。
简单说一下塞曼效应测量荷质比
简单说一下塞曼效应测量荷质比
荷质比是描述带电粒子质量与电荷之比的重要物理量。
荷质比的测量对研究电子、质子、离子等物质的性质及运动规律具有重要意义。
而塞曼效应是一种基于磁场作用的实验现象，被广泛应用于测量荷质比。
一、塞曼效应的基本原理
塞曼效应是一种基于原子或分子光谱的实验现象，其基本原理是在外磁场的作用下，原子或分子发生能级分裂。
在外磁场的作用下，原子或分子各能级之间将会分裂成若干个等间隔的子能级，同时出现多条光谱线。
这些光谱线的频率、波长和色散都会发生变化。
原子或分子的这种行为就是所谓的塞曼效应。
二、使用塞曼效应测量荷质比
在外磁场作用下，荷带电粒子在磁场中作运动时，将发生力的偏转，运动轨迹发生改变。
荷带电粒子的轨迹与磁场的大小、粒子荷质比、粒子的能量和速度有关。
通过测量粒子在外磁场下的运动轨迹和长度，以及磁场大小、粒子的速度和
能量，就可以确定粒子的荷质比。
在实验中，采用一个匀强磁场，通过调整磁感应强度和电场的大小来测量荷质比。
电子的荷质比约为1.76×10^11 C/kg，质子的荷质比约为9.58×10^7 C/kg。
结论：
塞曼效应通过测量能级分裂和光谱变化，可以准确地测量带电粒子的荷质比。
这种测量方法精度高、结果可靠，被广泛应用于物理科学研究领域。
汞谱线的塞曼效应分析与朗德g因子的测量
汞谱线的塞曼效应分析与朗德g因子的测量魏奶萍【摘要】对汞谱线塞曼效应进行了理论分析,通过利用CCD观测系统获取了塞曼效应实验分裂干涉圆环图像,证明了实验现象与理论分析完全一致,并对实验数据进行处理,定量测量了朗德g因子,发现误差较小.【期刊名称】《大学物理实验》【年(卷),期】2017(030)005【总页数】3页(P36-38)【关键词】塞曼效应;能级分裂;朗德g因子【作者】魏奶萍【作者单位】西安文理学院,陕西西安 710065【正文语种】中文【中图分类】O561.32塞曼效应是物理学中重要的发现之一，它有力证明了原子具有磁矩和空间量子化，能级分裂是电子轨道运动磁矩和自旋相互作用的结果。
这个结果可通过实验进行验证，目前，各高校通常采用观察汞原子置于磁场中的谱线分裂情形，来定量测量波数差以及电子荷质比[1-6]。
常见的测量方法有目镜观测法、胶片成像发、CCD数据采集法及图像处理法，这些方法在实践中各有优缺点[7-10]。
本文是利用F-P标准具和CCD观测系统获取汞谱线塞曼效应实验分裂干涉圆环图像，进而测量朗德g因子，获得原子内部结构信息[11]。
原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩其中g为朗德因子，g=+[]，外磁场作用下，原子会引起附加能量，ΔE=MgμBB，且M=J，J-1，…，-J，ΔE可能有2J+1个不同的值，所以，一个能级在磁场中可分裂成2J+1个子能级。
假设一光谱线由能级E2跃迁到E1，hv0=E2-E1,在外磁场中，这两个能级会分裂，新的光谱线hv′=(E2-E1)+(ΔE2-ΔE1)，分裂后的谱线与原谱线波数差L为洛仑兹单位，(5)式转换成波长=(m2g2-m1g1)L塞曼跃迁须满足选择定则：ΔM=0，产生π线(当ΔJ=0时，M2=0→M1=0除外)；ΔM=±1,产生σ线。
73S1→63P2能级产生的546.1 nm绿色谱线如图1为分裂能级图，图2为标准具光路图。