塞曼效应实验改进

塞曼效应实验改进
摘要：关于塞曼效应实验的一些思考和实验过程中的改进方案
关键词：塞曼效应调整改进
19世纪伟大的物理学家法拉第研究电磁场对光的影响，发现了磁场能改变偏振光的偏振方向。

1896年荷兰物理学家塞曼（Pieter Zeeman）根据法拉第的想法，探测磁场对谱线的影响，发现钠双线在磁场中的分裂。

洛仑兹跟据经典电子论解释了分裂为三条的正常塞曼效应。

由于研究这个效应，塞曼和洛仑兹共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。

他们这一重要研究成就，有力的支持了光的电磁理论，使我们对物质的光谱、原子和分子的结构有了更多的了解。

至今塞曼效应仍是研究能级结构的重要方法之一。

1、光学元件共轴
本实验由多个光学元件构成，包括：光源、聚光透镜、偏振片、滤光片、F-P标准具、小孔/毛玻璃片。

在实验过程中，这些光学元件的始终共轴，非常重要。

目前，实验室的设备只允许学生用目测的方式使光学元件共轴。

但因为器件较多，很容易在实验过程中由于一时疏忽而导致原本大致共轴的光学元件偏离轴心，从而导致前后结果不一致。

并且，目测导致误差较大，影响实验质量。

实验装置中，F-P标准具和除光源外的其他光学元件固定于同一支架上，但调节过程中，很容易移动。

应使F-P标准具与笔形汞灯及其他光学元件置于同一面板上，使用标尺或螺丝等来确定整个支架的位置。

笔者认为，举一简单的实例，可在支架下部安装一托盘，在支架脚的位置横向挖出一条槽，大小与螺丝的一致，并以此螺丝来固定支架脚，调节时，拧松螺丝，左右移动即可。

而高度，也可由螺丝调节，在支架底部交上一个螺丝帽即可。

同时，可将汞灯安装前后调节装置，这样就保证了整个光学系统能够进行前后、左右、上下的调节。

大致示意图如下：（蓝色的为汞灯、棕色的炜螺丝，白色的为槽）
汞灯为柱型，不存在对准的问题，而透镜和偏正片都是圆形镜片且大小相等，对准时保证其中心与F-P标准具处于同一位置，待其位置都确定后，观察干涉同心圆环（此时不需使用小孔光阑或毛玻璃片），保证圆环的中心在视场中央，每一圆环的圆周出处清晰明亮，不出现某侧清晰另侧模糊的情况。

调节即完成。

下图为塞曼实验实验装置示意图（其中A、B为F-P标准具，P为偏振片）
2、F-P标准具的调节
F-P标准具镜片的背后有三只弹簧压紧螺丝，用以微调两片平面镜的平行度，顺时针方向转动螺丝时，将在这一方向上缩小镜片之间的距离。

实验中，两镜面之间的平行度要求是很高的，因此要仔细观察加以调整。

用毛玻璃片可以观察到一组同心干涉圆环，如果发现某个方向的干涉圆环从中心处向外扩大，这表明两镜面在此方向上的间距偏大，应顺时针方向转动这个方向上的弹簧压紧螺丝，缩小次方向上的间距；反之，则逆时针方向上转动次方向上的弹簧压紧螺丝。

左右处各有一个弹簧，可以双向调节；而上下方向上，只有上方有一个弹簧，上下方向的调节只可由此弹簧调节。

3、偏振片位置
观察加了磁场后分列子谱线的偏振性，必须使用偏振片。

原则上，偏振片所放的位置不会影响观测效果。

但是，偏正片由于制造技术的原因，偏正片的偏振膜片本身具有不均匀性，使得透过偏振片的光具有不均匀性，这种不均匀性队干涉条纹强度起了强调作用，即各束平行光通过偏振片不同处会产生不同的附加位相差，透过偏振片的多束之前就不会产生所预想的干涉现象，干涉条纹的清晰度受到影响。

实践证明：将偏振片防止在会聚透镜与滤波片（组合到F-P标准具前端）之间，干涉条纹清晰度最好，置于光源与会聚透镜之间清晰度较差，置于F-P标准具与测量望远镜之间清晰度较差。

实验室中的偏振片位置位于光源与会聚透镜之间，导致实验效果较差。

4、数据处理
在数据处理过程中，利用CCD摄像头、图像处理photoshop、电子表格Excel进行塞曼效应实验时图像采集和数据处理的方法，能极大的提高精度。

使用摄像头代替目镜，并将摄像头与显示器相连接，可以在电脑上观察到塞曼效应的干涉环，更利于校对实验装置、观察其变化以理解塞曼效应，且观察时不容易眼睛出现疲劳，减少误差。

同时也可以目测图像与数据进行对比，对数据产生更直观的印象。

下两张图是目前实验结果的图像
下两张图是使用了摄像头的图像效果
同时配以Excel，可以将数据以表格形式呈现，更直观，便于分析。

结束语
塞曼效应是近代物理实验中重要的一环，经过多年的实践，已经日趋完善。

但随着科学发展，仍有可完善之处。

本人在实验过程中发现了一些小问题，并提出不成熟的建议，希望能使这个实验更加便捷、完善。

参考文献：朱世坤《塞曼效应实验中应注意的几个问题》陈美华《塞曼效应实验德数字化信息处理》。