Hg原子塞曼谱线的相对强度及其对称性
塞曼效应实验研究汞原子能级的分裂
塞曼效应实验研究汞原子能级的分裂Zeeman effect 's experimental study mercury atomic's level splitting周伟超（广东石油化工学院理学院，物理系物理08-2班）摘要本文通过汞的塞曼效应实验，对汞原子的能级在外磁场分裂情况分析，得出汞原子在外磁场的能级分裂图，并测得相应的谱线频率差。
通过实验结果与量子力学理论计算结果进行分析，表明量子力学理论的正确性。
关键词:塞曼效应，磁场，能级,分裂AbstractThis article uses zeeman effect's experiment of the mercury,and analysis the level of mercury atoms outside the field splitting,then come to the level splitting diagram of mercury atoms with external magnetic fields,and measured the corresponding spectral line frequency difference.Analyzing the experimental results and theory of quantum mechanics calculations,shows that the theory of quantum mechanics correct .Keywords:Zeeman effect, magnetic field, energy levels,split1 绪论当发光的光源置于足够强的外磁场中时，由于磁场的作用，使每条光谱线分裂成波长很靠近的几条偏振化的谱线，分裂的条数随能级大小额类别而不同，这种现象称为塞曼效应。
在塞曼效应实验的教学中，因为塞曼效应理论在原子物理学的教学中已经涉及，实验指导教师一般都比较注重学生实验动手能力的培养，而对理论分析有所忽略。
Hg原子塞曼谱线相对强度及其对称性共16页文档
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
Hg原子塞曼谱线的相对强 度及其对称性
0519010 赵朝弘
摘要
• 在原塞曼效应基础上，测定塞曼分裂
各谱线的相对强度
• 验证强度分布的对称性
原理
• 多电子原子原子跃迁
选择定则：
（1）、△J=J2 –J1=0，±1， 但J2与J1 不能 同时等于零。
（2）、 △M=MJ1-MJ2=0，±1
MJ1=MJ2
下，分别测量记录谱线的π成分和σ成分的 曲线，再放在一起观察各谱线的相对强度， 记录如下(图2)
• 取最强谱线强度为I00=100 ,各谱线的相对强度如下
(表２）：
MJ，MJ 10
Y值 0.065
测量值 理论值 百分差 14.32 12.5 14.56%
0-1
0.184 40.53 37.5 8.1%
π成分
根据Ornstein和Burger的谱线强度规则 ，有
I=4B（J+ MJ+1）（J- MJ+1）
1→1 0→0 -1→-1
I11=12B I00=16B I-1-1=12B
△MJ=+1 σ+ 成分
塞曼效应实验报告
塞曼效应实验报告摘要本实验采用光栅摄谱仪摄谱的方法，对Hg原子的塞曼效应进行了研究。
通过在摄谱仪前添加偏振装置，验证了塞曼效应预言的各分裂谱线的偏振方向；将其他元素的谱线作为标准谱，对Hg的塞曼分裂谱进行线性拟合得到Hg的各个分裂谱线的波长，并与基于反常塞曼效应计算的理论值进行比较，实验结果基本符合理论预期。
关键词塞曼效应汞原子光谱摄谱法一引言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信息有重要作用。
本实验将采用光栅摄谱仪摄谱的方法来研究这一现象。
二原理原子在外在磁场中的总能量为E=E0+MgμB BE0为未加磁场时原子的能量，M是磁量子数，M=J，J−1……−J，μB=ℎe4πm为玻尔磁子，g=1+J J+1−L L+1+S(S+1)2J(J+1)为朗德因子，B为外磁场原子能级产生磁分裂后，各磁能级之间的跃迁要遵守下列选择定则：∆J=0,±1 J=0→J=0禁戒，∆M=0,±1 ∆J=0时，M=0→M=0禁戒。
∆M=0时，在垂直于磁场方向可观察到电矢量平行于磁场方向的线偏振光，这一辐射分量被称为π线。
∆M=±1时，在垂直于磁场方向观察到的都是电矢量垂直于磁场的线偏振光，该辐射分量被称为σ线。
能级E1→E2的跃迁辐射产生塞曼分裂后，各跃迁辐射与无磁场时跃迁辐射的波数之差可由公式得到：∆ν=L[g1−g2M1−g2(M2−M1)]其中，L=eB4πmc=0.467 B称为洛伦兹单位，习惯上L的单位为cm−1，则式中磁感应强度B的单位为特斯拉（T）。
其中一个洛伦兹单位所对应的波长差为∆λ≈Lλ2三实验实验选用Hg灯与铁弧为光源，使用电磁铁施加恒稳磁场，运用两米平面光栅摄谱仪，对Hg 的在施加外磁场和不施加外磁场两种情况下的二级光谱进行摄谱。
塞曼效应实验报告
塞曼效应实验报告塞曼效应实验报告一、实验目的与实验仪器1. 实验目的（1）学习观察塞曼效应的方法，通过塞曼效应测量磁感应强度的大小。
（2）学习一种测量电子荷质比的方法。
2.实验仪器笔形汞灯+电磁铁装置，聚光透镜，偏振片，546nm滤光片，F-P标准具，标准具间距（d=2mm），成像物镜与测微目镜组合而成的测量望远镜。
二、实验原理（要求与提示：限400字以内，实验原理图须用手绘后贴图的方式）1.塞曼效应（1）原子磁矩和角动量关系用角动量来描述电子的轨道运动和自旋运动，原子中各电子轨道运动角动量的矢量和即原子的轨道角动量L，考虑L-S耦合（轨道-自旋耦合），原子的角动量J =L +S。
量子力学理论给出各磁矩与角动量的关系：L = - L，L =S = - S，S =由上式可知，原子总磁矩和总角动量不共线。
则原子总磁矩在总角动量方向上的分量为：J= g J，J =JL为表示原子的轨道角量子数，取值：0，1，2…S为原子的自旋角量子数，取值：0,1/2,1,3/2，2,5/2…J为原子的总角量子数，取值：0,1/2,1,3/2…式中，g=1+为朗德因子。
（2）原子在外磁场中的能级分裂外磁场存在时，与角动量平行的磁矩分量J与磁场有相互作用，与角动量垂直的磁矩分量与磁场无相互作用。
由于角动量的取向是量子化的，J在任意方向的投影(如z方向)为：= M，M=-J,-(J-1),-(J-2),…,J-2,J-1,J因此，原子磁矩也是量子化的，在任意方向的投影(如z方向)为：=-Mg式中，玻尔磁子μB =，M为磁量子数。
具有磁矩为J的原子，在外磁场中具有的势能（原子在外磁场中获得的附加能量）：ΔE = -J·=Mg B则根据M的取值规律，磁矩在空间有几个量子化取值，则在外场中每一个能级都分裂为等间隔的（2J+1）个塞曼子能级。
原子发光过程中，原来两能级之间电子跃迁产生的一条光谱线也分裂成几条光谱线。
这个现象叫塞曼效应。
原子物理学需要知道的塞曼效应知识
原子物理学中关于塞曼效应的基础知识作者：201832131134刘兴晟摘要：塞曼效应是法拉第磁效致旋光效应和克尔效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例。
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、分子有更多的了解，特别是由于及时得到洛伦兹的理论解释，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。
第一章：引言1896年荷兰物理学家塞曼研究电磁场对光的影响，他把钠光源置于强磁场中，发现钠光谱线出现了加宽现象，即谱线发生了分裂。
，随后，洛伦兹用经典电磁理论对这种现象进行解释，他认为电子存在轨道磁矩，并且磁矩方向在空间的取向是量子化的，因此在磁场作用下能级发生分裂，谱线分裂成间隔相等的3条谱线，用塞曼效应测出了电子的荷质比。
1897年12月，普雷斯顿发现在很多实验中光谱线有时并非分裂成3条，间隔也不尽相同，这种现象被称为反常塞曼效应。
1925年，两名荷兰学生乌伦贝克和古兹米特提出电子具有自旋的概念，成功解释了反常塞曼效应。
塞曼效应实验是近代物理实验中一个著名的经典实验，它不仅证实了原子具有磁矩和空间量子化，而且通过它能测定电子的荷质比，至今仍是研究原子能级结构的重要方法之一，因此，在本篇文章中，立足于原子物理学中对塞曼效应的认识，详细介绍了塞曼效应的发现、塞曼效应物理实验的操作以及注意事项和塞曼效应物理原理，以及在现实生活中，塞曼效应的物理应用原理。
第二章：塞曼效应的发现1902年，荷兰物理学家塞曼和洛伦兹因为在1896年发现塞曼效应（Zeeman effect）获得诺贝尔物理学奖以表彰他们研究磁场对光的效应所做的贡献。
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。
分为正常塞曼效应（镉的6438.47埃红色谱线的塞曼效应）和反常塞曼效应（钠的5895.93埃和5889.96埃黄色谱线的塞曼效应），是研究原子结构的重要途径。
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。
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
2020年塞曼效应实验报告
2020年塞曼效应实验报告塞曼效应实验李世超南⽅科技⼤学，深圳⼀、实验⽬的1、观察Hg的（546.1nm）谱线在磁场中的分裂现象2、学习应⽤塞曼效应测量电⼦的荷质⽐和研究原⼦能级结构的⽅法⼆、实验原理1.塞曼效应Hg 5461?谱线，由{6S7S}3S1→ {6S6P}3P2能级跃迁产⽣。
（Hg 5461?谱线的塞曼分裂能级⽰意图）塞曼效应是因为原⼦受磁场作⽤⽽进动引起附加能量，⽆磁场时的⼀个能级在外磁场作⽤下分裂成（2J+1）个等间隔的能级。
塞曼分裂谱线有偏振特征，以Hg5461?的塞曼分裂谱线为例（如图1）：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，是振动⽅向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，具体表现为：沿磁场正向观察时（即磁场⽅向离开观察者：U），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。
2.F-P标准具塞曼分裂的波长差⾮常⼩，需⽤法布⾥-珀罗标准具（F-P）来观察。
平⾏光在F-P标准具中形成等倾⼲涉后，各级⼲涉条纹的光程差为2dcosθ=Kλ其中K为⼲涉条纹级数，θ为不同⼲涉级数对应的⼊射⾓，d为F-P标准具两平⾏玻璃板间距。
F-P标准具有两个特征参量：（1）⾃由光谱范围包含相差不远的两类波长λ1λ2的单⾊光⼊射经过标准具后可能形成如图2所⽰的两套等倾⼲涉条纹。
当标准具的间距满⾜⽅程2dcosθ=Kλ1=(K-1)λ2时，两套⼲涉条纹将重叠，在临界值Δλ=λ1-λ2内，不会有重叠现象，因此Δλ被称为标准具的⾃由光谱范围。
在⼤多数情况下，，，则，⽤波数差表⽰为。
（2）分辨本领分辨本领定义为：其中K为⼲涉级数，R为平板玻璃内表⾯的反射率，⼀般R90%，K三、实验内容1、调节光路共轴图3 塞曼效应实验装置(1)、点燃汞灯，按照图3调节实验装置共轴（通过⽬镜图像观察，图像清晰即可）。
Hg同位素HFS对Hg的Zeeman效应相对强度影响
Hg 同位素对Hg 的Zeeman 效应相对强度影响陈星 陈红雨 张训生（浙江大学物理系，浙江，杭州310027）摘要：本文比较了Hg 的546.1nm 绿谱线Zeeman 效应相对强度的理论计算和实验值，并分析了Hg 同位素位移及超精细结构对Hg Zeeman 效应相对强度的影响。
关键词：Hg 同位素；超精细结构；同位素位移中图分类号：O562.32 文献标识码：A 文章编号：H558 （1）.引言Zeeman 效应是荷兰物理学家塞曼(P ．Zeeman ，1865—1943)于1896年发现的。
塞曼用当时分辨本领最高的罗兰凹面光栅和强的电磁铁，在1896年发现了钠黄线在磁场中变宽的现象。
塞曼效应证实了原子具有磁矩并且空间取向是量子化的。
从塞曼效应的实验数据可推断能级的分裂情况，并确定量子数和朗德因子 g ，从而获得有关原子态的信息。
Hg 的546.1nm 绿谱线是}{}{23136676P P S S S S →能级跃迁产生的， 用气压扫描式Fabry-Perot 标准具对Hg 的546.1nm 绿谱线进行Zeeman 效应时，得到9条Zeeman 分量谱线。
各分量的相对强度不对称、偏离理论值。
从实验现象和数据分析：这是Hg 同位素HFs 叠加所引起的［1］。
谱线位置也不完全对称, 这是Hg 同位素位移影响使Zeeman 分量展宽所致。
（2）. Hg 的546.1nm 谱线相对强度计算图(一)Hg 的546.1nm 谱线Zeeman 分裂如图(一)，加磁场后，上能级}{1376S S S 分裂为3个子能级，对应量子数和g 为{}2,1,1,0====g J S L 。
下能级}{2366P P S 分裂为5个子能级，对应量子数和g 为{}23,2,1,1====g J S L 。
根据弱磁场Zeeman 效应的强度定则［2］：强度不依赖于耦合方式，只决定于量子数J 、J m 。
1+→J J ：)()()()(114211+-++=→+±+±=±→JJ J J J J J J m J m J B I m m m J m J B I m m ，，以上的是二个定态之间跃迁偶极矩有关的量。
汞光谱546.07nm谱线塞曼分裂能级跃迁和偏振分析(精)
汞光谱546.07nm 谱线塞曼分裂能级跃迁和偏振分析07级光信息科学与技术 徐钰晨 0730*******This issue is about transitions between splitting energy levels of the 546.07nm spectral line of atom Hg and the polarization characteristics of the photons. I used an F-P interferometer and a CCD camera to observe the splitting lines. The nine spectral lines are corresponding to the transitions denoted by the Dirac Notation |1 M 〉→|2 M±1，0〉. When observed along the magnetic field, the lines with ΔM =-1 are rotating left, and the lines with ΔM=+1 are rotating right. No lines with ΔM=0 was observed. When observed in the direction normal to the magnetic field, the lines with ΔM=±1 vibrate in the direction normal to both the magnetic field and the direction in which you observe, and the lines with ΔM=0 vibrate along the magnetic field.近代物理实验 塞曼效应 能级跃迁 偏振 CCD 拍摄 F-P 干涉 汞光谱 引言本文选取汞的绿谱线（546.07nm ），研究它在磁场中发生塞曼分裂得到的9条谱线对应的子能级跃迁（总自旋量子数J 和磁量子数M ）的变化，以及各条谱线的偏振特点。
揭示原子光谱的塞曼效应实验
揭示原子光谱的塞曼效应实验引言：光谱研究是物理学领域中至关重要的一部分，它帮助我们理解原子和分子的结构与相互作用。
塞曼效应实验是一种揭示原子光谱中磁场对谱线的影响的重要实验。
本文将介绍塞曼效应的基本原理和实验过程，以及该实验在科学领域中的应用和其他相关专业性角度的讨论。
一、塞曼效应的基本原理塞曼效应是法国物理学家塞曼于1896年首次发现的，他研究的对象是光源经过磁场后的光谱变化。
塞曼效应实验证实了光谱线可以被磁场分裂成多个子谱线，这种分裂称为塞曼分裂。
塞曼效应的产生是由于原子中的电子在磁场中的运动受到了限制，磁场的强弱和方向对塞曼分裂的形式以及分裂的数量起到了重要作用。
在塞曼效应实验中，我们通常使用光源和磁场来观察和测量光谱线的塞曼分裂。
根据不同的实验目的和要求，我们可以选择不同类型的光源和磁场设备。
二、实验准备1. 光源选择：在塞曼效应实验中，我们可以使用气体放电灯、Hg 灯或其他特定的光源。
这些光源可以产生特定波长的光，并且其光谱线的特征是我们研究塞曼效应的关键。
2. 磁场设备：为了产生磁场，我们通常使用电磁铁。
电磁铁由线圈和电源组成，通过调节电流的大小和方向，我们可以控制磁场的强度和方向。
3. 测量仪器：在实验中，我们需要使用光谱仪、光电倍增管或其他测量仪器来观察和测量光谱线的塞曼分裂。
这些仪器能够将光信号转换为电信号，并且可以测量出光谱线的位置和强度。
三、实验过程1. 实验装置搭建：根据实验的需要，我们首先搭建好实验装置。
设置好光源、磁场设备和测量仪器的位置和参数。
2. 记录光谱线：打开光源和磁场设备，观察和记录在不同条件下光谱线的位置和形态。
注意调节磁场的强度和方向，以观察到不同的塞曼分裂情况。
3. 测量光谱线的位置和强度：使用光谱仪和光电倍增管等测量仪器来测量光谱线的位置和强度。
这些数据可以被用来计算塞曼效应的相关参数。
四、实验应用和专业性角度的讨论塞曼效应实验在不同领域中有着广泛的应用。
Hg(577nm、579nm)塞曼效应分析
数差为÷Ｌ。
２ ２ 汞 ５ ９ｎ 谱 线塞 曼分裂 ． ７ ｍ
汞 （７ ｍ） 由 能级 到 １ ５９ ｎ 是 Ｐ 能级跃迁 产生
‘ ，Ｉ 兀 ，
２ Ｈｇ ５ ７ｎ ５ ９ｎ （７ ｍ、７ ｍ）谱 线 的塞
曼效 应
２ １ 汞 ５ ７ａ ． ７ ｍ谱 线的塞 曼分 裂
为 电子 质量 ）Ｍ 是磁 量 子数 ， 只能 取 ： 一 ， ， 它 Ｍ Ｊ一１ … ， ， 一Ｊ＋ １一－共 ２ ＋ １ 值 。 ，厂 ． ， 个 ｇ为 朗德 因 子 ， 于 ＬＳ耦合 ： 对 －
表 １ Ｈ （７ ｏ ） 子 数分 布 ｇ５７Ａ 量
在外磁场中每—条谱线与原谱线的波数差为：
△ 一 （ 一１ 一ｌ 一１ １ １ Ｌ ０ ０ ０ １ ）
５ ９ ｍ谱线分裂成三条， 条 ／ ７ ｎ １ Ｉ ＂ 成分， 条知 ， 只有 如下 的跃迁 产 生
的效应 称为反 常塞曼 效应 。 塞 曼效应 是 由于 电子 的轨道 磁矩 与 自旋 磁矩 共 同受 外磁场 的作 用 而产 生 的 。 原 子某 一 能 级 设
的能量 为 Ｅ， 外 磁场 的作用 下 获得 附 加 能量 为 在 △ 可 以推 出 ： Ｅ，
△Ｅ — Ｉ Ｍ Ｂｇ ｚ ｓ
词： 塞曼效应 ； 磁场 ； 能级分裂
文献 标 识 码 ： Ａ
准具 分辨率 的讨论 ， 明实 验现象与理论分析是一致的 。 证 定量计算 了分裂谱线的波数差 。
中 图分 类 号 ： Ｈ７ Ｔ ４
塞 曼效应 实验是 原子物 理学 中 的一 个经典 实
所 以能级裂 成 ２ Ｊ＋ １ 个不 同的可 能值 ， 且从 同一 能级分 裂 的诸 能级 的间 隔是 相 等 的 ， 从 不 但 同的原子 能级分 裂 出来 的能级 间隔彼此 不一定 相 同， 因为 ｇ因子不 一定 相 同。 在没有 磁场 时 ， 由能级 Ｅ２ Ｅ 之 间 的跃 迁 和 －
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。
塞曼效应实验解读
实验目的1观察汞光在磁场中的塞曼分裂现象2、测量塞曼分裂相邻能级的波数差的调节。
实验仪器塞曼效应仪实验原理（1）能级分裂：原子中的电子作自旋与轨道运动，使得原子具有一定的磁矩Pj = J J 1为总角动量，在 L — S 耦合的情JJ 1-LL 1 SS1 。
原子磁矩在外磁场中受到力矩2JJ +1 ）场方向作旋进，产生附加能量E -」J B COS ：. P J B COS 〉= Mg —B ，由于P P J 在外2m 2m磁场中的取向量子化，即磁量子数M=J , J-1…..-J 有2J 1个可能值，因而有外磁场时原来的一个能级分裂为2J+1个能级。
（2）光谱分裂：一光谱线在B =0时，吐二E 2_已；B = 0时，新的谱线h ；：「=E2注2 - E 1 ' E 1 二h.. M 2g 2-MQ 1e^ （选择定则 'M=0,_1）以汞光 546.12mnm 的谱线跃迁的两能级（3 S 1 3P 2）为例，在有磁场时看能级的塞曼分裂与跃迁：塞曼效应实验3、学习法布里珀罗标准具二geP j ，其中2m况 下 朗 德因 子为L二B 的作用使.1绕磁（3）本实验观测波长为546.1 nm的谱线的塞曼分裂跃迁为3 S 1 --- 3 P 2，在磁场中将发生反常塞曼效应，塞曼裂距为 —二M 2g 2 - Mig对于如图所示的分裂有4rmc———M2g 2-M®^e (d = 2.7mm)2d D 2k 」一D 2k4 mcD bk 」 D ak 二分别为相邻的b 谱线a 谱线的k-1级干涉环直径， D bk 为b 谱线的第k 级干涉环直 径，d 为标准具内两夹板玻璃内表面的距离。
实验内容与步骤1按图调节光路。
汞灯与磁极的距离保持1mm 左右，各光学元件共轴，使光源在会聚透镜焦平面上，光 均匀照射到标准具上；调节标准具两平行面严格平行，调整测微目镜使之观察到清晰明锐的干涉园环。
塞曼效应
沿磁场正向观察时，
为右旋偏振光，
本实验是以汞的 546.1nm 谱线为例，说明谱线分裂情况。波长 546.1nm 的谱线是汞原 子(6s7s)3S1 到(6s6p)3P2 能级跃迁产生的。其上下能级有关的量子数值如下表：
表 1 磁场作用下汞原子能级分裂图
由表可见，546.1nm 一条谱线在磁场中分裂成九条线，垂直于磁场观察，中间三条谱线 为π成分，两边各三条谱线为σ成分；沿着磁场方向观察，π成分不出现，对应的六条σ线分 别为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。若原谱线的强度为 100，其他各谱线的强度分别为 75、 37.5 和 12.5。在塞曼效应中有一种特殊情况，上下能级的自旋量子数 S 都等于零，塞曼效 应发生在单重态间的跃迁。此时，无磁场时的一条谱线在磁场中分裂成三条谱线。其中
M 1 对应的仍然是σ态， M 0 对应的是π态，分裂后的谱线与原谱线波数差为
=L
e 4 m
B
在磁场作用下能级分裂如下图：
图 1 汞原子 546.1nm 谱线在磁场中的分裂
2.观测塞曼分裂的方法 用 F－P 标准具测量塞曼分裂谱线波长差，应用 F－P 标准具测量各分裂谱线的波长或 波长差，是通过测量干涉环的直径来实现的，用透镜把 F－P 标准具的于涉圆环成像在焦平
2 2d
Dd 2 Da2
D2 k 1
Dk 2
用 F－P 标准具观测塞曼分裂，计算荷质比
e me
2 c
dB
Dd 2 Da2
D2 k 1
Dk 2
四、 实验内容与方法
通过实验观察 Hg 线在外磁场中的分裂情况并测量电子荷质比。 1.调节光路系统共轴； 2.打开汞灯电源，等待一定时间，使汞灯工作稳定。打开计算机，启动分析软件，设置 必要的参数，使图像显示居中。 3.偏振片旋转至 0°，打开“塞曼效应实验软件”，点击“开始采集”，得到π光的强度分布 图线；若偏振片至 90°，得到σ光的强度分布图线。按由圆心向外辐射的顺序（中心处为 1 级），在π光中，将同级的三个塞曼圆环称为内圈、中圈和外圈；在σ光中，将分裂的六个同 级塞曼圆环称为 A\B\C\D\E\F。 4.数据处理过程为：打开文件，数据录入，参数预设，查看直径，数据计算，查看结果， 查看分裂圆环。
塞曼效应——精选推荐
塞曼效应英国物理学家法拉第(M ．Faraday)在1862年做了他最后的一个实验，即研究磁场对光源的影响的实验。
当时由于磁场不强，分光仪器的分辨率也不大，所以没有观测到在磁场作用下光源所发出的光的变化。
34年后，1896年荷兰物理学家塞曼(P ．Zeeman)在莱顿大学重做这个实验，他在电磁铁的磁极间将食盐(NaCl)放入火焰中燃烧发出的钠光，用3米凹面光栅(473条／毫米)摄谱仪去观察钠的两条黄线。
他发现在磁场的作用下，谱线变宽。
如果磁场再强些或摄谱仪的分辨率再高些，就能看到谱线分裂，即原来的一条光谱线分裂成几条光谱线，分裂的谱线成分是偏振的，分裂的条数随能级的类别而不同，后人称此现象为塞曼效应。
塞曼效应的发现是继英国物理学家法拉第1845年发现磁致旋光效应，克尔(John Kerr)1876年发现磁光克尔效应之后，发现的又一个磁光效应。
塞曼在洛仑兹的指点及其经典电子论的指导下，解释了正常塞曼效应和分裂后的谱线的偏振特性，并且估算出的电子的荷质比与几个月后汤姆逊从阴极射线得到的电子荷质比相同。
塞曼效应不仅证实了洛仑兹电子论的准确性，而且为汤姆逊发现电子提供了证据。
还证实了原子具有磁矩并且空间取向是量子化的。
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。
直到今日，塞曼效应仍旧是研究原子能级结构的重要方法。
当时原子结构的量子理论尚未产生，洛仑兹用经典的电子理论对这一现象进行了理论计算，得出所谓正常塞曼效应的结果，即当光源在外磁场的作用下，一条谱线将分裂成三条(垂直于磁场方向观察)和二条(平行于磁场方向观察)偏振化的分谱线。
早年把那些谱线分裂为三条，而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c m eB L π4/=)。
正常塞曼效应用经典理论就能给予解释。
当实验条件进一步改善以后，发现多数光谱线并不遵从正常塞曼效应的规律，而具有更为复杂的塞曼分裂。
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伦兹单位，这现象在以后的30年间一直困扰着物理学界，人们称这类现象为反常塞曼效应。
西安交大《塞曼效应实验报告》重点讲义资料
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。
塞曼效应至今仍然是研究原子能级结构的重要方法之一，通过它可以精确测定电子的荷质比。
一．实验目的1.学习观察塞曼效应的方法观察汞灯发出谱线的塞曼分裂；2.观察分裂谱线的偏振情况以及裂距与磁场强度的关系；3.利用塞曼分裂的裂距，计算电子的荷质比e m e 数值。
二．实验原理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。
对于S L -耦合）（）（）（）（121111++++-++=J J S S L L J J g （2）假设在无外磁场时，光源某条光谱线的波数为）（010201~E E hc-=γ （3）式中 h 为普朗克常数；c 为光速。
塞曼效应实验说明
实验简介: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(Zeeman)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，证实了原子具有磁距和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解。
塞曼效应另一引人注目的发现是由谱线的变化来确定离子的荷质比的大小、符号。
根据洛仑兹(H.A.Lorentz)的电子论，测得光谱的波长，谱线的增宽及外加磁场强度，即可称得离子的荷质比。
由塞曼效应和洛仑兹的电子论计算得到的这个结果极为重要，因为它发表在J、J汤姆逊(J、J Thomson)宣布电子发现之前几个月，J、J汤姆逊正是借助于塞曼效应由洛仑兹理论算得的荷质比，与他自己所测得的阴极射线的荷质比进行比较具有相同的数量级，从而得到确实的证据，证明电子的存在。
塞曼效应被誉为继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）。
至今，塞曼效应依然是研究原子内部能级结构的重要方法。
本实验通过观察并拍摄Hg(546.1nm)谱线在磁场中的分裂情况，研究塞曼分裂谱的特征，学习应用塞曼效应测量电子的荷质比和研究原子能级结构的方法。
实验原理: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：）绕磁场方向旋进。
其效果是磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量（PJ(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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Hg原子塞曼谱线的相对强度及其对称性
赵朝弘
（上海复旦大学物理系200433）
摘要
在原实验测量塞曼效应实验的基础上，测量塞曼各谱线的相对强度，并验证谱线的对称性。
关键词：塞曼谱线相对强度对称性
引言
十九世纪法拉第和麦克斯韦奠定了经典电磁理论的基础。
达拉第除了研究电机原理、电磁感应以及电解定律外，还研究了点、磁场对光的影响。
法拉第在发现了磁场能改变偏振光的偏振面的取向之后，继而研究磁场对谱线的影响，但没成功。
1896年荷兰物理学家塞曼在洛仑兹学说的影响下，使用比法拉第实验中更强的磁场，研究磁场对谱线的影响，发现钠双线D1和D2都有增宽的现象，使用罗兰光栅光谱仪器观察钠火焰发出的光谱线发现每一条变宽的D线世纪上都是几条单独的谱线组成，这一现象称为塞曼效应。
这一效应有力地支持了光的电磁理论，使得我们对物质的光谱、原子和分子的结构有了更多的了解。
同时有力地证明了电子自旋假设是正确的，能级的分裂是由于电子的轨道磁与自旋磁矩相互作用的结果。
塞曼效应谱线分裂反映了能级分裂量子化性质，各塞曼谱线相对强度反映各自能级跃迁相对概率的大小，说明原子中价电子激发时在各塞曼子能级上的分布，这对了解外场与于阿兹相互作用具有重要意义。
正文
一、原理:
在磁场中，原子的能级发生跃迁。
设原子初态为∣a〉末态为∣b〉，跃迁概率为：
dW=e2ω2/2πhc3︱﹤b︱e · r︱a>︱2dΩ
多电子原子中的能级跃迁要符合如下的像个选择定则：（1）、△J=J2–J1=0，±1，但J2与J1 不能同时等于零。
（2）、△M=M J1-M J2=0，±1。
J1，J2和M J1, M J2分别为跃迁前后的总角动量量子数和次量子数。
M J1=M J2，时，谱线为π成分
根据Ornstein和Burger的谱线强度规则，有
1→1 I11=12B
I=4B（J+ M J+1）（J- M J+1）0→0 I00=16B
-1→-1 I-1-1=12B △M J=+1 时，谱线为σ+ 成分
1→2 I
12
= 12 B
I= B（J+ M J+ 1)(J+ M J+2)0→1 I
01
= 6 B
-1→0I- 10= 2 B
△M J=-1 时，谱线为σ- 成分
1→0 I10= 2 B
I= B（J- M
J + 1)(J- M
J
+ 2) 0→- 1 I0-1= 6 B
-1→- 2 I= 12 B
二、测量方法与讨论：
加入B=1.05T的磁场后，得到的塞曼分裂曲线如下：
图1：
为方便比较相对强度，取最强谱线强度为I00=100，得到各谱线的相对强度如下：
表2 ：
理论上，塞满谱线强度分布应具有对称规律性。
然而从以上的曲线与测量中看出，塞曼谱线相对强度虽然大体上对称，但对称并不是严格，而是与理论值有一定的百分差。
当加上偏振片后，在同一参数设定的条件下，分别测量记录谱线的π成分和σ成分的曲线，再放在一起观察各谱线的相对强度，记录如下：
图2：
同样，取最强谱线强度为I00=100，各谱线的相对强度如下：
从图2可以看出，谱线强度的对称性好比图一好，而且相对强度的百分误差除了个别谱线误差比较大之外，大部分普遍比较小比较稳定。
而且在图2中，我们看到π成分左右边还各自出现一个小峰，而且右边的峰比较明显。
所以当没有加上偏振片把π成分与σ成分分开观察时，得到的图1的曲线为两个成分叠加的结
果，所以使得σ+ 成分最强谱线比σ- 成分的要高，即I
＞I12 ，使得它们不对称。
-1-2
再观察未加磁场时的塞曼曲线。
此时，谱线还没有发生分裂：
图3 :
可以看到，除了主峰之外，旁边出现小峰，经分析那是Hg同位素发出的普线，加上磁场之后，同位素的普线也发生了分裂，于是出现了图2中π成分的旁边的小峰，经与σ成分的叠加使得其强度增加。
但是，考虑微光计读数、平行度的调节等实验操作等误差，实验结果与理论值还是一致的。
三、实验结论
塞曼谱线强度分布具有对称性。
π成分中，上、下能量级量子数M J=0之间跃迁的概率最大，谱线强度最强。
随着外磁场B的增大，谱线分裂增加，但各谱线的相对强度不变。
参考资料：
⑴、近代物理实验。
复旦大学物理教学实验中心编。
未出版
⑵、“测定汞原子塞满谱线相对强度”。
李光源淮北煤炭师范学院物理系2004年6月。