赛曼效应讲解.pptx

Dk, 2
4
f
2
d
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Dk
k 1 k
代入：k 2d /
k,a
k,b
2 (D2 k,a D2 k,b )
2d (D2(k1), D2 k, )
~
1(
D2 k ,b
D2 k ,a
)
2d
D2 (k 1),
D
2 k ,
参考参数：汞 546.1nm
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2. F—P标准具测量测电子荷质比(不做）
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正常赛曼效应的产生是由于原子电子的轨道磁矩与 磁场作用的结果。而反常赛曼效应则是原子的电子总 磁矩（轨道磁矩加自旋磁矩）和磁场相互作用的结果， 在磁场较弱时，原子的轨道磁矩与自旋磁矩首先耦合 后再和外磁场作用，产生所谓的一般的反常塞曼效应； 如果磁场极强时，则原子的轨道磁矩与自旋磁矩分别 和磁场相互作用，从而产生所谓的帕刑－巴克效应。
原子由于磁矩的存在，在磁场中就会受到
磁场的力矩作用，原子的总磁矩在外磁场中 受到的力矩为：
J
M j B
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力矩使原子的总磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量 绕磁场方向旋进,旋进会引起原子能级的附加能量为：
E
j
B
j B cos
g
e 2m
BPj
cos
其中， B eh为/ 4玻 m尔磁子。由于原子总角动量在磁场中
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实验原理及设计
赛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，赛曼效应由于历史的习惯可分为正常赛曼效应和反 常赛曼效应。通常一条谱线分裂条数为三条的效应叫正常 赛曼效应(可以用经典理论加以解释)，多于三条的叫反常 赛曼效应（只能用量子理论解释）。反常赛曼效应通常发 生在磁场很弱或者磁场很强的条件下。
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F-P干涉方程（干涉极大值）为
2d cos k
其中k为关涉级数。
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2. F—P标准具测量波长差的方法
从F－P标准具中透射出来的平行光，经焦距为f的透镜成像在焦 平面上，形成同心的干涉园环，其直径为D，如图有
D / 2 f tg tg
D
f
cos 1 2 / 2 1 D2 / 8 f
M 2 g2
M
1
g1
eB
4m
~
1
1
M 2 g2
M1g1 L
L eB ＝4.67 1015 B
4mc
跃迁选择定则: M 0 线（当J 0时，M 0禁戒） M 1 线
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本实验的光源为汞放电管，研究Hg的5460埃谱线的赛曼
分裂。Hg 5461Å谱线是{6S7S}3S1→ {6S6P}3P2能级跃迁
的取向是量子化的，即
Pj cos M
M称为磁量子数，只能取 M J , J 共12, J+,1J个值。代
入上式有
E
Mg
eh
4 m
B
MgB B
其中 称B 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 ）用如下公式计算理论值，计算相对误差
~ (m2 g2 m1g1 )L
L eB 4mc 0.467B
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例：2P3/ 2
J 3 / 2 M 3 / 2,1/ 2,1/ 2,3 / 2
3/ 2
1/ 2
分裂为四条
2P3/ 2
1/ 2 能级2P3/ 2 有它的g因子 3/ 2
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这样上下两个能级之间的跃迁将产生频率为 的谱线,满足：
h ' h M2g2 M1g1 BB
'
1
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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。
2d
cos
2d (1
D2 8f2
)
k
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对于不同波长 和a 的b 同次级k的干 涉园环有
k,a
k,b
d (D2k,a D2k,b ) 4 f 2k
(D2k,a D2k,b )
k(D2(k1), D2 k, )
对于相同波长 和的不同次级k和k
－1级的干涉园环有
D2 (k 1),
且能级间隔为。
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3. 原子在磁场中的能级分裂
设频率为 的光谱线是由原子的上能级E2跃迁到下能
级E1所产生的，则此谱线的频率满足
E2 E1
在外磁场中，上下能级都将获得一个附加能量
E2 M2 g2BB E1 M1g1BB
因此，每个能级各分裂成个2J2＋1和2J1＋1个子能级.
•图1-3-5 塞曼效应实验装置图 19 第20页/共26页
透镜：增强光强
F-P标准具（法布 里—珀罗标准具）
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滤波片：根据实验选择所观察的波长，实验中通过
滤光片得到Hg-546.1nm的谱线 ：
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实验内容与方法
1. 本实验观测汞（Hg）546.1nm谱线的塞曼 分裂，这条谱线是在能级 间跃迁产生的。 实验前先进行理论分析，确定观察谱线各能
产生的。
B0
B0
M Mg
12
3S1
00
-1 -2
23
1 3/2
00
3P
-1 -3/2
2
-2 -3
12
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二 实验方法：
1. 法布里—珀罗标准器（F—P标准具）
由于塞曼效应波长分裂后的波长差很小,为 2
以Hg 5461 Å谱线为例，当处于B=1T的磁场中时，
2 1011m
级的量子数L、S、J及M，计算朗德因子g，
按照选择定则确定可能的子能级及偏振态， 画出塞曼分裂能级图，以上分析须在实验予 习报告中完成。
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（一）按1-3-5调整光学系统，调节各 光学部件共轴，调整标准具。
F—P标准具调整：根据2dcosφ＝kλ，对于某一波长同一 干涉级k，如果在某一方向上标准具的间距d大，则 这个方向上干涉环直径也大。所以可以直接观察标 准具的干涉环进行调整，当眼睛向某一个调整螺丝 方向移动时，若花纹从中间冒出或向外扩大，说明 此方向标准具间隔大，应将该方向的螺丝旋紧或放 松其他两个螺丝，直到眼睛向各个方面移动时，干 涉环的大小不变为止，此时F—P标准具的两玻璃板 严格平行。调整L位置，可使亮环最亮。
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其中g为朗德因子，它表征原子总磁矩和总角动量的关系， 其值决定于轨道角动量和自旋角动量的耦合形式，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：
g 1 J(J 1) L(L 1) S(S 1) 2J(J 1)
2. 原子所受到的力矩和在磁场中的能量移动
B
Pieter Zeeman
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（以表彰他们研究磁场 对光的效应所作的特殊贡献）。
2
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实验目的和意义
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。
1 1 L / 2 23.35m1
要观察如此小的波长差，用一般的棱镜摄谱仪是不可能 的，需要用高分辨率的法布里—珀罗标准器（F—P标准 具）。F—P标准具由平行放置的两块平面板组成的，在 两板相对的平面上镀薄银膜和其他有较高反射系数的薄 膜。两平行的镀银平面的间隔是由某些热膨胀系数很小 的材料做成的环固定起来。若两平行的镀银平面的间隔 不可以改变，则称该仪器为法布里—珀罗干涉仪。
e m
2c
dB
Dk2 Dk2
D2 k 1
Dk2
e 1.6021921019 me 9.109561031
e 0.1758801012 me
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二、实验仪器与装置
1. 该实验可采用多种仪器与方法，一般常用的 是在塞曼效应仪上加以不同的观察装置。观 察塞曼效应的实验装置如图1-3-5所示。
赛曼效应的产生源于原子具有磁矩和空间量子化这两个 微观属性。原子的磁矩分为电子的磁矩和原子核的磁矩。 电子的磁矩主要分为电子在核外运动所产生的轨道磁矩和 电子本身所具有的自旋磁矩。塞曼效应主要是磁场和原子 内电子的磁矩相互作用后的效应，不涉及原子核的磁矩问 题（原子核磁矩比电子的磁矩要小三个数量级）。
1. 塞曼效应的简介
1. 赛曼效应在大学物理属于原子物理范畴的 一个实验，它是研究原子的光谱受磁场的 影响的一个基础性实验；
2. 塞曼效应的历史意义；
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。
下面就原子磁矩和磁场相互作用原理来定量分析原 子谱线分裂行为：
一 理论基础：
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1. 电子的角动量和磁矩
电子具有轨道角动量 分别为
P和l 自旋角动量
P，s 其值是量子化的，
Pl L(L 1)
Ps S(S 1)
其中L为总轨道角动量量子数，S为总自旋角动量量子
数。电子的轨道磁矩和自旋磁矩与轨道磁矩和自旋磁
矩的关系为：
n
L
S
l
e 2m
Pl
i -e
r
s
e m
Ps
μl
6
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原子的总角动量为轨道角动量和自旋角动量的和,即
Pj Pl Ps 其取值也是量子化的
Pj J (J 1)
其中J为总角动量量子数。相应的原
子的总磁矩为轨道磁矩和自旋磁矩的
矢量和
l s
原子的有效磁矩为：
j
g
e 2m
Pj
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(二）观察汞546.1 nm在B=0与B≠0时的物理图 象；转动偏振片，检查横效应和纵效应下分 裂的成份；描述现象并加以理论说明。
（三）用度读数显微镜测量( 成分），并根据
如下公式计算谱线分裂的波数差。（测四次
计算~ 平1 均( 值D 2k）,b D 2k,a )
2d
D2 (k 1),