塞曼效应实验资料报告材料完整版

学生： 学号： 5502210039 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩：

塞曼效应 一、实验目的

1．观察塞曼效应现象，把实验结果与理论结果进行比较。

2．学习观测塞曼效应的实验方法。

3．计算电子核质比。

二、实验仪器

WPZ —Ⅲ型塞曼效应实验仪

三、实验原理

塞曼效应：在外磁场作用下，由于原子磁矩与磁场相互作用，使原子能级产

生分裂。垂直于磁场观察时，产生线偏振光（π线和σ线）；平行于磁场观察时，

产生圆偏振光（左旋、右旋）。

按照半经典模型，质量为m ，电量为e 的电子绕原子核转动，因此，原子具

有一定的磁矩，它在外磁场B 中会获得一定的磁相互作用能E ∆，由于原子的磁

矩J μ与总角动量J P 的关系为

2J J e g P m

μ=（1） 其中g 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，

cos cos 2J J e E B g P B m

μαα∆=-=-（2） 其中α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，

cos ,,1,,2J h P M M J J J απ-==--（3）

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式中h 是普朗克常量，J 是电子的总角动量，M 是磁量子数。设：4B he m

μπ=，称为玻尔磁子，0E 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

00B E E E E Mg B μ=+∆=+（4）

由于朗德因子g 与原子中所有电子角动量的耦合有关，因此，不同的角动量

耦合方式其表达式和数值完全不同。在L S -耦合的情况下，设原子中电子轨道

运动和自旋运动的总磁矩、总角动量及其量子数分别为L μ、L P 、L 和S μ、S P 、

S ，它们的关系为

2L L e P m μ==（5）

S S e P m μ==（6） 设J P 与L P 和S P 的夹角分别为LJ α和SJ α，根据矢量合成原理，只要将二者在

J μ方向的投影相加即可得到形如（1）式的总电子磁矩和总轨道角动量的关系：

2222222222cos cos (cos 2cos )2(2)222(1)222J L LJ S SJ

L LJ S SJ J L S J L S J J J L S J J J e P P m

P P P P P P e m P P P P P e P P m

e g P m μμαμααα=+=

++--+=+-+=+=（7） 其中朗德因子为

(1)(1)(1)1.2(1)

J J L L S S g J J +-+++=++（8） 由（＊）式中可以看出，由于M 共有（2J ＋1）个值，所以原子的这个能级在

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外磁场作用下将会分裂为（2J ＋1）个能级，相邻两能级间隔为B g B μ。因为g 由

量子态决定，所以不同能级分裂的子能级间隔不同。

设频率为ν的谱线是由原子的上能级2E 跃迁到下能级1E 所产生的，则

12E E h -=ν

磁场中新谱线频率变为ν'，则)()(1122E E E E h ∆+-∆+='ν

频率差为ν∆＝ν'－ν＝h E E 12∆-∆＝m eB

g M g M π4)(1122-

用波数差表示为ν~∆＝mc eB g M g M π4)(1122-＝L g M g M )(1122-，其中L 为洛伦兹单

位，L ＝

m e c B ⋅π4 1. π线和σ线：

跃迁时M 的选择定则：012=-=∆M M M ，1±，

当M ＝0时，垂直于磁场方向观察时，产生的振动方向平行于磁场的线偏

振光叫π线；平行于磁场观察时π线成分不出现。

当M ＝1±时，垂直于磁场方向观察时，产生的振动方向垂直于磁场的线偏

振光叫σ线；平行于磁场观察时，产生圆偏振光，M ＝1+，偏振转向是沿磁场

方向前进的螺旋转动方向，磁场指向观察者时，为左旋圆偏振光；M ＝1-，偏

振转向是沿磁场方向倒退的螺旋转动方向，磁场指向观察者时，为右旋圆偏振光。

2. 错序观察法：

汞546.1nm 谱线在磁场作用下分裂为9条子谱线，其裂距相等为L 21。其

中3条π线，6条σ线。采用加大磁场的方法使某些分量错序，并且正好与相邻

干涉序的另一些分量重叠（即错序观察法），从而测得磁场强度B 。

大学物理实验报告

学生： 惠文 学号： 5502210039 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩： 对同一干涉序不同波长和的波长差关系为：

其波数的关系为 '22122112k k k k k k

D D v v d D D ----=-

3. 计算荷质比m e

： 因为各子谱线裂距为L 21，所以波数差ν~∆＝L 21＝⋅21m e c B ⋅π4，则m e ＝

B c πν4~2⨯∆⨯＝()νπ~292335.08∆⨯⨯-⨯d x c

四、实验容

1. 调节F-P 标准具。

2. 调整光路。

3. 观察观察汞绿线 546.1nm 在加上磁场前后和不断增大磁场时的干涉圆环 的变化情况；转动偏振片确定哪些谱线是π成份，哪些是σ成份；描述现象并加

以理论说明。

4. 在励磁电流 I=3A （B=1.2T ）条件下调出塞曼分裂的π谱线，用软件处理图片，

测出 e/m 的值。