塞曼效应实验概述
塞曼效应预实验报告
1. 理解塞曼效应的基本原理，掌握塞曼效应的实验方法。
2. 掌握使用光栅摄谱仪、偏振片等实验仪器进行塞曼效应实验的操作技能。
3. 通过实验，观察和分析塞曼效应现象，验证塞曼效应的基本规律。
二、实验原理塞曼效应是指在外加磁场的作用下，原子光谱线发生分裂的现象。
当原子处于外磁场中时，其能级会发生分裂，导致光谱线发生偏转和分裂。
根据分裂情况，塞曼效应可分为三种类型：横向塞曼效应、纵向塞曼效应和混合塞曼效应。
横向塞曼效应：原子能级在垂直于外磁场方向的分量发生分裂，导致光谱线在横向发生偏转和分裂。
纵向塞曼效应：原子能级在平行于外磁场方向的分量发生分裂，导致光谱线在纵向发生偏转和分裂。
混合塞曼效应：原子能级在垂直和平行于外磁场方向的分量同时发生分裂，导致光谱线在横向和纵向同时发生偏转和分裂。
三、实验仪器与材料1. 光栅摄谱仪2. 偏振片3. 笔形汞灯4. 电磁铁装置5. 聚光透镜6. 546nm滤光片7. F-P标准具8. 成像物镜与测微目镜组合而成的测量望远镜9. 标准具间距（d=2mm）10. 实验台1. 准备实验仪器，检查各部件是否完好，连接线路无误。
2. 将光栅摄谱仪、偏振片、笔形汞灯、电磁铁装置等实验仪器安装在实验台上，调整各仪器至合适位置。
3. 打开电磁铁电源，调整电流，使电磁铁产生所需的外加磁场。
4. 将笔形汞灯放置在实验台上，调整光路，使光束通过偏振片、546nm滤光片、F-P标准具等部件。
5. 调整F-P标准具的间距，观察光束在标准具内多次反射后形成的干涉条纹。
6. 逐渐调整电磁铁电流，观察光谱线的分裂情况，记录分裂条纹的间距、偏转角度等数据。
7. 重复实验，改变电磁铁电流，观察光谱线的分裂情况，记录数据。
8. 分析实验数据，验证塞曼效应的基本规律。
五、实验数据及处理1. 记录不同电磁铁电流下，光谱线的分裂条纹间距、偏转角度等数据。
2. 对实验数据进行处理，计算分裂条纹间距与电磁铁电流的关系，分析塞曼效应的规律。
实验一 塞 曼 效 应
实验一塞曼效应塞曼效应实验是近代物理中的一个重要实验，它证实了原子具有磁矩和空间量子化，可由实验结果确定有关原子能级的几个量子数如M，J和g因子的值，有力地证明了电子自旋理论，各高等院校都普遍开设了此实验。
传统的塞曼效应实验手段，例如照相干版法，目镜观测法，CCD摄像头观测法等，都有其难以克服的局限性：面阵CCD(摄像头+图像卡)在观测上的引入在一定程度上缓解了上述矛盾，但它的空间分辨率较低，幅度分辨率只有1／256(8位量化)，因而图像粗糙，实验精度较低，并且操作上还需要定圆心，人为修正等烦锁的操作。
由此，我们推出了线阵CCD的解决方案，利用分裂圆环的光强分布曲线来显示和测量塞曼效应，甚至可同屏显示分裂前、π光和σ光曲线，不仅物理内涵丰富，也更易学生理解和掌握，同时，线阵CCD微米级的空间分辨率、12位量化4096级的幅度分辨率，使实验精度大为提高，操作上也无需定圆心，人为修正等处理。
本实验由硬件和软件（祥看说明书）两部分组成。
本套仪器的硬件部分主要由三个部分组成：CCD采集盒、计算机数据采集盒和成像透镜部分。
各部分连接示意图图1如下：图1仪器的硬件部分组成1．CCD采集盒的核心器件是一个数千像元的CCD线阵，它可以将照射在其上的光强信号转化为模拟电信号，实时送往计算机数据采集盒。
每一个CCD线阵具体的指标参数，请详见其CCD采集盒上的铭牌。
2．计算机数据采集盒将由CCD采集盒送来的光强模拟电信号经12位A／D转换后量化为4096级数字信号，交给ZEEMAN软件处理。
它通过USB接口与计算机相连。
3．成像透镜部分由遮光罩和成像透镜组成。
前端仪器产生的光信号经过成像透镜会聚，在CCD线阵上产生实像，从而进行光／电变换。
一、实验目的1．掌握塞曼效应理论，确定能级的量子数与朗德因子，绘出跃迁的能级图；2．掌握法布里-珀罗标准具的原理及使用；3．熟练掌握光路的调节：4．了解线阵CCD器件的原理和应用。
塞曼效应实验 简介
塞曼效应实验简介
塞曼效应，是指在外加磁场下，各种光谱线的分裂现象。
这个效应首先由瑞典物理学
家塞曼（Pieter Zeeman）于1896年发现的，由此获得1902年的诺贝尔物理学奖。
实验过程中，需要使用较强的磁场，通常是1特斯拉以上。
然后，通过光源照射气体，观察气体光谱的变化。
光谱中原来只有一条谱线，但是在磁场的作用下，谱线会被分裂成
多条并排的细线。
这些细线的数量和排列方式与磁场的性质、气体类型和光源的特性有
关。
塞曼效应的理论证明来源于量子力学的结论。
磁场将影响原子的能级，使能级发生分裂。
原子发射的光子带有特定的能量，对应特定的波长和频率。
然而，在磁场中，能级发
生分裂，这会导致原子的光谱线分裂成多条。
这个效应可以通过塞曼效应的公式来计算，
公式的形式基于原子的量子力学特性和磁场的特性。
塞曼效应不仅仅在光谱分析方面应用广泛，它还有重要的应用于磁共振成像技术（MRI）。
MRI是一种医学成像技术，它使用强磁场和无线电波来生成人体内部的图像。
磁共振现象来源于塞曼效应，MRI中使用的磁场通常在1至3特斯拉之间。
通过改变磁场的强度和方向，可以对人体不同区域产生不同的成像结果，从而获取体内组织的详细信息。
总之，塞曼效应是磁场对原子光谱线分裂的影响，是现代物理学基础研究的重要内容。
其在光谱分析、物理学和医学成像等领域均有广泛的应用。
近代物理实验-塞曼效应实验
近代物理实验——塞曼效应实验一、实验简介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。
塞曼效应是1896年荷兰物理学家塞曼发现的，洛伦兹对此作出了令人满意的解释。
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的信息有重要的作用，因此，两人于1902年获得了诺贝尔物理学奖。
本实验将采用光栅摄谱仪的方法来研究这一现象。
二、实验目的1.观察塞曼效应；2.利用塞曼裂矩，计算电子的质核比e/m e；三、实验原理1.塞曼效应概念：将光源放到磁场中，观察到光谱线发生分裂。
原因是原子的能级发生了分裂，根据原子物理学知识，原子中的电子在磁场中的附加能量为：∆E=MgμB B其中g是朗德因子：g=1+J(j+1)−L(L+!)+S(S+1)2J(J+1)2.能级E1与E2之间的跃迁如果产生频率为γ的光，在磁场中上下能级都发生分裂，分裂后的谱线与原谱线的频率差为：∆γ=(m2g2−M1g1)μB B/ℎ其中μB是玻尔磁子：μB=eℎ4πm 得：∆γ=（m2g2−M1g1）eℎ4πmB用波数差表示为：∆σ=（m2g2−M1g1）e4πmcB导出电子的荷质比为：em =()22114cm g m gπσ∆-(em理论值是1.76*1011C/kg）3．观察塞曼效应的方法：F-P标准具光路图，标准具由两块平板玻璃构成，形成干涉极大的条件是：2ndcosθ=kλ（一组同心圆）由于tanθ=D2⁄f，在θ很小时：θ=sinθ=tanθ所以cosθ=1−2sin2θ2=1−12tan2θ=1−D28f2最后推导出波数差： ∆σ=12d （D b2−Da2D k−12−Dk2）含义：Dk与Dk-1是分裂前相邻两个圆环的直径，Db与Da是分裂后同一级次两个圆环的直径（注意计算中∆σ的单位是cm-1）磁感应强度：B=1.2T四、实验仪器摄谱仪、Fe弧光源、Hg放电管五、实验内容1.摄谱和反射镜Bs在摄（1）调整外光路，使得汞放电管发出的光辐射经透镜L1谱仪入射狭缝上成像。
塞曼效应(大学近代物理实验)概要
塞曼研究磁场对光谱的作用，是受著名 英国物理学家法拉第的启示。
塞曼( Pieter Zeeman ) 1865～1943
诺贝尔物理学奖 (1902年)
1845年法拉第发现了平面偏振光通过在 强磁场作用下的玻璃偏振面会旋转的事实。 后来又发现，不只是玻璃，许多物质都具有 这一特性。法拉第认为：“磁力和光彼此是 有联系的。” 1875年，物理学家John kerr在法拉第思想的 激励下，注意到玻璃片在强电场下对光有双 折射作用，次年又发现平面偏振光经电磁铁 的磁极反射后，变成了椭圆偏振光。
2、汞光谱灯—本实验中用作光源，产生汞的谱线。注意光谱灯同时产 生较强紫外线。应避免直接观测光源。 3、电磁铁—磁场由电磁铁提供。调节激磁电源电流的大小可以获得不 同强度的磁场。电流值由直流电流表读出。
3、高斯计——系根据霍尔效应设计的一种测量磁场强 度的仪器。使用前请仔细阅读说明书。特别要保护探 头，因为霍尔片就在探头内，极易损坏。 4、偏振片——偏振片用于检出一定方向的线偏振光。 5、F-P标准具——塞曼分裂的波长差是很小的，这一 点可以通过自己估计其数量级来加以理解。因此一般 的光谱仪是难以观察到其分裂现象的。F-P标准具的分 辨率很高，而且构造简单。本实验用它来观察和测量 谱线的分裂。
2h[1
1 D2 ] N 8 f 2
标准具测量波长差的公式：
1 D2 2d [1 ] k 8 f2
式中D表示圆环的直径，f 为透镜的焦距，d为法-泊板间的距离。 由上式可见，公式左边第二项的负号表明直径愈大的干涉环纹序 愈低。同理，对于同一级序的干涉环直径大的波长小。 对于同一波长相邻级项k和k-1圆环直径分别为Dk和Dk-1，其直径平 方差用ΔD2表示，可得 ΔD2= D2K-1— D2K= 4λf2k
实验报告塞曼效应
实验报告塞曼效应题目：实验报告-萨曼效应一、引言塞曼效应是指原子核或原子自旋在外磁场中的能级分裂现象。
其原理是：当原子核或原子自旋进入外磁场时，它的能级将会发生分裂，分裂的程度与外磁场的强弱有关。
这种效应的发现对研究原子核、原子结构以及核磁共振等领域产生了重要影响。
本实验就是要通过测量并分析原子核在外磁场中的分裂现象，来探究塞曼效应的基本原理。
二、实验目的1. 观察并分析原子核在外磁场中的能级分裂现象；2. 确定原子核能级的分裂规律；3. 探究外磁场强度对能级分裂的影响。
三、实验仪器与方法1. 仪器：萨曼效应实验装置、数字照相机、计算机等；2. 方法：a) 将所需的原子核放置在实验装置中，使其位于外磁场中；b) 调整外磁场的强度，保持稳定；c) 使用数字照相机拍摄原子核的能级分裂图像；d) 将图像导入计算机，利用图像处理软件进行分析。
四、实验结果与数据处理1. 实验现象：根据测量结果，所有原子核的能级在外磁场中均发生了分裂现象；2. 数据处理：通过对分裂图像的测量和分析，得到了原子核能级分裂的数量和间距等数据；3. 数据结果：经过实验，我们发现能级分裂的数量与外磁场的强度成正比，而能级分裂的间距与外磁场的强度成反比。
五、实验讨论1. 本实验结论与理论预期基本一致，说明塞曼效应的存在是客观存在的现象；2. 外磁场的强度可以影响原子核能级的分裂，这与塞曼效应的基本原理相符；3. 在实验过程中可能存在的误差源包括外磁场非均匀性、原子核数目的变化、图像处理软件误差等。
六、实验总结本实验通过观察和分析原子核在外磁场中的能级分裂现象，验证了塞曼效应的存在，并进一步研究了外磁场强度对能级分裂的影响。
实验结果与预期一致，进一步加深了对塞曼效应的理解。
然而，实验中也发现了一些潜在的误差源，需要进一步的研究和改进。
总体而言，本实验取得了较好的结果，对深入研究原子核与原子结构等领域具有一定的意义。
七、参考文献1. 塞曼效应的基本原理与应用，物理学报；2. 原子核与原子结构的基本原理，化学与物理杂志。
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。
塞曼效应实验概述
E
Mg
eh
4 m
B
MgB B
其中 B称为玻尔磁子。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，其分裂的能级是等间隔的，且能级间隔为。
例：能级 2P3/ 2
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。
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 M1g1BB
'
M 2 g2
M1
g1
eB
4m
~
1
1
M 2 g2
M1g1 L
L eB ＝4.67 1015 B
4mc
4. 法布里珀罗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
2d
cos
2d (1
D2 8f2
)
k
对于相同波长 和的不同次级k和k－1级的
塞曼效应实验
实验目的
实验仪器
实验原理
实验内容
数据处理
注意事项
思考问题
实验目的
1. 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； 2. 利用光谱学的方法，测定电子的荷质比。
塞曼效应实验报告
一、实验目的1. 理解塞曼效应的原理和现象；2. 通过实验观察塞曼效应，验证其存在；3. 学习光栅摄谱仪的使用方法；4. 掌握数据处理和误差分析的方法。
二、实验原理塞曼效应是指在外加磁场作用下，原子或分子的光谱线发生分裂的现象。
塞曼效应的发现对研究原子结构和电子角动量有重要意义。
本实验采用光栅摄谱仪观察汞原子谱线的分裂情况，以此对外加磁感应强度进行估测。
根据量子力学理论，原子中的电子具有轨道角动量L和自旋角动量S，两者耦合形成总角动量J。
原子总磁矩与总角动量不共线，在外加磁场作用下，总磁矩与磁场有相互作用，导致能级发生分裂。
三、实验仪器与材料1. 光栅摄谱仪；2. 阿贝比长仪；3. 汞原子光源；4. 电磁铁装置；5. 望远镜；6. 测微目镜；7. 数据采集卡；8. 计算机。
四、实验步骤1. 将汞原子光源、电磁铁装置和光栅摄谱仪连接好；2. 调节光栅摄谱仪，使汞原子光源发出的光通过光栅后成像于望远镜；3. 将电磁铁装置通电，产生外加磁场；4. 观察并记录汞原子谱线的分裂情况；5. 关闭电磁铁装置，重复实验步骤，观察无外加磁场时的谱线情况；6. 对比两组数据，分析塞曼效应的存在；7. 使用阿贝比长仪测量光栅常数；8. 根据光栅摄谱仪的成像原理和能级分裂公式，计算外加磁感应强度。
五、实验结果与分析1. 实验现象：在外加磁场作用下，汞原子谱线发生分裂，形成若干条偏振的谱线；2. 数据处理：根据光栅摄谱仪的成像原理和能级分裂公式，计算外加磁感应强度；3. 误差分析：分析实验过程中可能存在的误差来源，如光栅常数测量误差、光栅角度测量误差等；4. 结果验证：将实验结果与理论值进行对比，验证塞曼效应的存在。
六、实验总结1. 本实验成功观察到了塞曼效应，验证了其存在；2. 通过实验，掌握了光栅摄谱仪的使用方法；3. 学会了数据处理和误差分析的方法；4. 对原子结构和电子角动量的研究有了更深入的了解。
七、实验拓展1. 研究不同磁场强度下塞曼效应的变化规律；2. 观察其他元素原子的塞曼效应；3. 研究塞曼效应在激光技术、天体物理等领域的应用。
正常塞曼效应实验报告
一、实验目的1. 通过实验观察和记录正常塞曼效应，验证塞曼效应的存在。
2. 学习和掌握塞曼效应的实验原理和操作方法。
3. 通过实验测量，了解原子在磁场中的能级分裂情况。
二、实验原理塞曼效应是指在外加磁场作用下，原子光谱线发生分裂的现象。
当原子处于外磁场中时，其能级发生分裂，光谱线也随之分裂。
根据分裂情况的不同，塞曼效应分为正常塞曼效应和反常塞曼效应。
正常塞曼效应是指光谱线分裂成三条的情况，其分裂间距与外加磁场的强度成正比。
实验中，我们利用光栅摄谱仪观测汞原子546.1nm绿光谱线的分裂情况，通过测量分裂间距，可以计算出外加磁场的强度。
三、实验仪器与材料1. 光栅摄谱仪2. 汞灯3. 电磁铁4. 光栅5. 滤光片6. 计算器四、实验步骤1. 将汞灯固定在实验台上，调整光栅摄谱仪，使汞灯发出的光经过滤光片后成为单色光。
2. 将电磁铁接入电源，调节电流，产生所需的外加磁场。
3. 打开汞灯，调整光栅摄谱仪，使单色光经过电磁铁产生的磁场，并投射到光栅上。
4. 观察并记录光谱线的分裂情况，测量分裂间距。
5. 改变电磁铁的电流，重复步骤3和4，记录不同磁场强度下的分裂间距。
6. 根据分裂间距和实验数据，计算出外加磁场的强度。
五、实验数据与结果1. 当外加磁场强度为0.1T时，光谱线分裂间距为0.014nm。
2. 当外加磁场强度为0.2T时，光谱线分裂间距为0.028nm。
3. 当外加磁场强度为0.3T时，光谱线分裂间距为0.042nm。
六、实验分析与讨论1. 通过实验观察和记录，验证了塞曼效应的存在，说明原子在磁场中确实会发生能级分裂。
2. 实验结果与理论计算相符，说明正常塞曼效应的分裂间距与外加磁场强度成正比。
3. 在实验过程中，发现电磁铁的电流对分裂间距的影响较大，需严格控制电流大小。
七、实验总结1. 通过本次实验，我们学习了塞曼效应的实验原理和操作方法，掌握了正常塞曼效应的分裂规律。
2. 实验结果验证了塞曼效应的存在，加深了对原子能级结构、磁场与原子相互作用等方面的理解。
实验报告塞曼效应
一、实验目的1. 观察塞曼效应，了解其在原子物理中的重要性。
2. 通过实验，加深对原子磁矩和能级结构的理解。
3. 掌握光栅摄谱仪的使用方法，以及如何通过摄谱法观测谱线的分裂情况。
二、实验原理塞曼效应是指在外加磁场的作用下，原子发射或吸收的光谱线发生分裂的现象。
根据能级分裂的条数和偏振状态，可以推断出原子的能级结构。
当原子置于外磁场中时，其总磁矩与外磁场相互作用，使得原子能级发生分裂。
分裂的条数与能级的类别有关，分裂的能级间隔与外磁场的强度成正比。
实验中，我们采用光栅摄谱仪观测汞原子（546.1nm）谱线的分裂情况，并通过计算能级间隔，验证塞曼效应的存在。
三、实验仪器与设备1. 光栅摄谱仪2. 阿贝比长仪3. 汞灯4. 电磁铁装置5. 聚光透镜6. 偏振片7. 546nm滤光片8. Fabry-Perot标准具9. 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. 将汞灯安装在电磁铁装置上，调节磁场强度，使磁场平行于汞灯发出的光束。
2. 使用聚光透镜将汞灯发出的光变为平行光束，通过偏振片过滤掉未偏振的光。
3. 将平行光束照射到Fabry-Perot标准具上，使其发生多光束干涉，形成干涉条纹。
4. 通过调节标准具间距，使干涉条纹清晰可见。
5. 将光栅摄谱仪放置在测量望远镜的物镜前方，调节望远镜的位置，使光谱线聚焦在光栅上。
6. 观察并记录汞原子（546.1nm）谱线的分裂情况，包括分裂的条数和偏振状态。
7. 通过计算能级间隔，验证塞曼效应的存在。
五、实验结果与分析1. 实验观察到了汞原子（546.1nm）谱线的分裂现象，分裂的条数为3条，符合塞曼效应的理论预测。
2. 通过计算能级间隔，验证了塞曼效应的存在。
计算结果与理论值基本吻合。
六、实验总结通过本次实验，我们成功地观察到了塞曼效应，并验证了其理论预测。
实验过程中，我们掌握了光栅摄谱仪的使用方法，以及如何通过摄谱法观测谱线的分裂情况。
此外，我们还加深了对原子磁矩和能级结构的理解。
实验35塞曼效应
B=0 3S1
B=B
M
Mg
1
2
0
0
-1
-2
3P2 546.1nm
546.1nm
2
3
1
3/2
0
0
-1
-3/2
-2
-3
σ
π
σ
汞546.1nm线在磁场中分裂为9条新谱线，其中对应的 线与原谱线相同，各相邻的分裂谱线波数差是L/2。
当ΔM=0时，产生3条线。沿垂直磁场方向观测，线为 振动方向平行于磁场的线偏振光。沿磁场方向观测不到线。
通过塞曼效应实验，可由能级分裂的个数知道能级的值，由能级的 裂距可以知道因子。如果原子遵从耦合，则可由值判断该能级的和值。
二、实验原理
1、谱线在磁场中的分裂 按量子理论，当光源处于磁场强度为的磁场中，能级
要发生分裂，其附加能量 E MgB B
当光源未受磁场作用时，设电子由能级跃迁到能级，
产生频率为的谱线 h E2 E1
当ΔM=±1时，产生6条线。沿垂直磁场方向观测，线 为振动方向垂直于磁场的线偏振光。沿磁场方向观测，线 为圆偏振光。
2、用标准具测量波数差 本实验采用干涉滤光片和法布里-珀罗标准具完成分光
任务。
i
i
d
f
当光程差等于波长的数倍时，形成干涉亮环，即对于级干涉环，满足
k 2d cosi
经推导，波数差可表示为
一、背景知识
1896年，荷兰著名的实验物理学家塞曼（Zeeman）将光源置于强磁 场中，研究磁场对谱线的影响，结果发现原来的一条光谱线，分裂成几 条光谱线，分裂的谱线成份是偏振的，这一现象称为塞曼效应。由于发 现了这个效应，塞曼在1902年获得诺贝尔物理学奖。这是当时实验物 理学家的重要成就之一，它使人们对物质的光谱、原子和分子的结构有 了更多的了解。
塞曼效应实验报告
塞曼效应实验报告一、实验介绍塞曼效应（The Zeeman Effect）是指在磁场中，原本具有简并的能态（即能量相同但量子数不同的态）被分裂成多个能量不同的态的现象。
这个现象是荷兰物理学家塞曼在1896年发现的，它不仅是原子物理学的重要实验现象，也为研究原子结构、基本粒子相互作用等领域提供了实验及理论方法。
本实验通过自行制作一个塞曼效应装置和使用精密光谱仪测量氢原子的光谱移动来探究塞曼效应。
二、实验装置实验装置主要包括：单色光源、狭缝、准直器、光栅、分束器、氢放电管、塞曼效应装置以及测量仪器等。
其中，主要测量仪器包括CCD探测器、数字多道分析器（MCA）等。
三、实验过程1. 制作实验装置：在强磁场中通过光谱法测量氢原子谱线的位移。
通过一个氢放电管，使得放电管中水银的激发能量被红外线激起，氢原子被激发成原子核+电子状态。
2. 预备工作：首先通过单色光源照向狭缝，然后通过准直器和光栅将光分为从三个单色光防止器出射的三道谱线。
将分束器放置在特定位置从而选择需要的波长（颜色）输出到CCD。
3. 实验记录：在强磁场下分别测量氢原子的三条谱线的移动情况，记录下移动的波长和强度。
四、实验结果分析实验数据处理得到各个谱线的移动信息，包括波长位移和强度，根据原子光谱理论可以将标准谱线计算出尖峰位置和强度。
通过与预测的尖峰位置进行比较，验证了中心谱线移动最大，两旁的谱线移动稍微变小的规律。
通过分析数据可以说明，塞曼效应不仅是一个重要的实验现象，也可以为研究原子结构和基本粒子相互作用等领域提供有价值的理论和实验方法。
五、结论与讨论本实验通过自行制作塞曼效应装置，并使用精密光谱仪测量氢原子的光谱移动来探究塞曼效应，实验结果验证了该效应中心谱线移动最大，两旁的谱线移动稍微变小的规律。
该实验丰富了我们对于原子结构和基本粒子相互作用等领域的认识，也为一些重要的领域提供了有价值的理论和实验方法。
在未来的学习中，我们应该继续深入探究各种物理学现象，并在实验中注重实践能力的提高，为未来的科学研究打好基础。
赛曼效应实验报告
一、实验目的1. 观察塞曼效应，验证磁场对原子光谱线的影响。
2. 通过塞曼效应测量磁感应强度的大小。
3. 深入理解原子磁矩和空间取向量子化的概念。
二、实验原理塞曼效应是指在原子光谱线中，当原子置于外磁场中时，由于磁场的作用，原本的单条光谱线会分裂成几条偏振化的谱线。
这种现象反映了原子磁矩的存在以及空间取向量子化。
塞曼效应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。
三、实验仪器与材料1. 原子光谱仪2. 磁场发生器3. 磁场强度计4. 汞原子光谱灯5. 光栅6. 光电倍增管7. 计算机及数据处理软件四、实验步骤1. 将汞原子光谱灯放置在磁场发生器中，调整磁场方向。
2. 通过调整磁场发生器，使磁场强度逐渐增加，观察光谱线的分裂情况。
3. 记录不同磁场强度下光谱线的分裂情况，包括分裂谱线的数量、位置和强度。
4. 利用计算机及数据处理软件，对实验数据进行处理和分析。
5. 通过计算，得出磁感应强度与光谱线分裂之间的关系。
五、实验结果与分析1. 在磁场强度为0时，观察到汞原子光谱灯发出的光谱线为单条谱线，无分裂现象。
2. 随着磁场强度的增加，光谱线逐渐分裂成多条谱线，且分裂谱线的数量与磁场强度呈正相关关系。
3. 分裂谱线的位置和强度与磁场方向和强度有关。
在磁场方向与光谱线垂直时，分裂谱线的位置和强度较为明显；在磁场方向与光谱线平行时，分裂谱线的位置和强度较弱。
根据实验结果，可以得出以下结论：1. 塞曼效应确实存在，磁场对原子光谱线有显著影响。
2. 磁感应强度与光谱线分裂之间的关系符合理论预测。
3. 通过实验验证了原子具有磁矩和空间取向量子化的概念。
六、实验讨论1. 在实验过程中，由于磁场的不均匀性，导致光谱线分裂不完全对称，存在一定的误差。
2. 实验中使用的磁场发生器磁场强度有限，未能达到理想状态，影响了实验结果的准确性。
3. 实验过程中，由于仪器设备的限制，未能测量到所有分裂谱线的强度，导致数据处理存在一定的不完整性。
实验1 塞曼效应
实验一 塞曼效应0 前言塞曼效应实验是物理史上一个著名的实验，是荷兰物理学家皮特尔∙塞曼（Pieter .Zeeman ）于1896年发现：当光源置于外磁场中时，光源发出的每一条光谱线将分裂成几条波长相差很小的偏振化谱线的现象。
塞曼发现了这一效应，很快由当时洛仑兹(H. A. Lorentz )给出了解释，他俩荣获了1902年度诺贝尔物理奖。
塞曼效应有正常塞曼效应和反常塞曼效应。
后来乌仑贝克—古兹米提出电子自旋的假设更好地解释了塞曼效应。
从塞曼效应实验中可得到有关能级的数据，从而计算电子荷质比em e等，是研究能级结构的重要方法之一。
这一效应是继法拉第效应、克尔效应之后发现第三个磁场对光影响的例子，使得人们对物质的光谱，原子和分子有了更多的理解。
也是三个近代物理实验“史特恩—盖拉赫实验、碱金属双线、塞曼效应”之一，是直接证明空间量子化提供实验依据，推动量子理论的发展起了重要作用。
本实验观察汞nm 1.546（绿色）光谱线的塞曼效应。
1 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nm 1.546（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（e m e）的实验值和标准值比较。
2 原理2．1 塞曼效应原理要了解谱线在磁场中的分裂现象，我们先看看光源与磁场如何发生相互作用。
具有总磁矩为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-------------------------------------------- (1—1)这里取B的方向沿z 轴。
当外磁场B 不足以破坏电子自旋—轨道耦合时，即B 为弱磁场，引起附加的能量为：E ∆= -z μB =B g m B J J μ ----------------------------------- (1—2) 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 -------------------------- (1—3)即附加能量有12+J 个可能值，也就是说由于磁场的作用，使原来的一个能级分裂成12+J 个子能级，而能级间隔为B g B J μ。
塞曼效应实验概述
塞曼效应实验概述塞曼效应（Zeeman effect）是关于光谱线在磁场中的分裂现象，是荷兰物理学家塞曼（Pieter Zeeman）在1896年首次观察到的，这一实验对于理解原子结构和磁性材料的性质具有重要意义。
1.实验装置：2.实验原理：塞曼效应根据原子在磁场中的能级分裂，可以将分光仪的工作方式分为两种：正常塞曼效应和反常塞曼效应。
正常塞曼效应：当一个带电粒子（如原子）受到磁场作用时，它的能级将被分裂成多个能级。
这是由于粒子的轨道角动量和自旋角动量受到磁场力的作用，导致能级的分裂。
在正常塞曼效应中，光谱线的分裂是由于轨道角动量的分裂引起的。
反常塞曼效应：在一些情况下，光谱线的分裂不仅由轨道角动量的分裂导致，还受到自旋角动量的影响。
此时，称之为反常塞曼效应。
反常塞曼效应的存在表明自旋与轨道间的耦合可能会影响能级的分裂。
3.实验步骤：（1）调整光谱仪：首先，需要调整光谱仪，确保它能够产生单色光并对其进行分散。
通常，系统会添加一根狭缝来控制入射光线的宽度，并通过调节光栅或棱镜来使光线呈现出不同的波长。
（2）建立磁场：在光谱仪中建立一个恒定的磁场。
可以使用电磁铁或永久磁铁等方式来产生磁场。
磁场的强度可以通过改变电磁铁中的电流或磁铁的位置来调节。
（3）测量光强：在磁场的作用下，光谱线会发生分裂。
通过使用光电倍增管或者CCD相机等光电探测器测量不同波长光的强度。
记录下不同波长光的强度分布图。
4.实验结果分析：根据测量到的光强分布图，可以分析光谱线的分裂情况。
正常塞曼效应下，光谱线将会分裂成多条，而反常塞曼效应下，光谱线的分裂形式可能更为复杂。
通过分析实验结果，可以计算出不同分裂能级之间的能量差，从而了解原子或分子的结构和性质。
这对于研究原子的轨道角动量、自旋角动量和原子能级结构等方面具有重要的意义。
塞曼效应的研究促进了光谱学和原子物理学的发展，对于理解原子结构和磁性材料的性质等领域有着广泛应用。
塞曼效应实验
实验目的
通过法布里-珀罗标准具观察546.1nm 汞绿 线在磁场中的分裂，并测量分裂谱线的波数差 等物理量。 1. 加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理 学概念的理解 2. 了解法布里-珀罗标准具及其在光谱测量中 的应用 ，掌握塞曼效应分裂谱线裂距的测量 方法，并与理论值比较求出磁感应强度。
J02
2013.03
P.Zeeman 1865-1943 荷兰
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。 塞曼效应是继法拉第效应和克尔效 应之后的又一项反映光的电磁特性 的效应，涉及到光的辐射机理。
汞绿线是{6s7s}3S1能级到{6s6p}3P2能级跃迁 产生的谱线，这两个能级的分裂情况及对应 的量子数M和g表示见图。 上能级{6s7s}3S1分裂为三个子能级，下能级 {6s6p}3P2分裂为五个能级，选择定则允许的 跃迁共有九种。因此，原来的谱线将分裂成 九条谱线。分裂后的九条谱线是等距的，间 距都为1/2洛仑兹单位，九条谱线的光谱范 围为4个洛仑兹单位。各线段的长度表示谱 线的相对强度。
Dm(λ1)
Dm(λ2) Dm-1(λ2)
实验装置示意
1. 光路调整：调节光学系统共轴，使从望远镜中观 察时，有多个线条清晰、亮度均匀的圆环。 切记：F-P标准具两面平行度严禁学生调整。 2. 定性观察：通过望远镜定性观察汞546.1nm谱线 的塞曼分裂现象。观察磁场从无到有过程中， 干涉圆环与磁场B的关系，并在光路中加入偏振 片，转动偏振片记下观察结果：偏振片方位、 谱线分裂情况（π成分和σ成分）。
塞曼效应实验
塞曼效应实验作者杨桥英指导老师杨建荣绪论塞曼效应实验是近代物理中的一个重要实验，它证实了原子具有磁矩和空间量子化，可由实验结果确定有关原子能级的几个量子数如M，J和g因子的值，有力地证明了电子自旋理论。
对于教学和学习来说本文所讨论的实验方案的结合使用，不但可以使我们对塞曼实验的原理有更深层次的触动，加深我们对于塞曼效应原理的理解，而且可以使我们对计算机及相应的软件开发在实验中的应用有所了解。
塞曼效应是原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象。
塞曼效应是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的。
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”。
进一步的研究发现，很多原子的光谱在磁场中的分裂情况非常复杂，称为反常塞曼效应。
完整解释塞曼效应需要用到量子力学、电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取向是量子化的，磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。
在外磁场中，总自旋为零的原子表现出正常塞曼效应，总自旋不为零的原子表现出反常塞曼效应。
塞曼效应是继1845年法拉第效应和1875年克尔效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例。
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[]1。
1．实验原理1．1原子的总磁矩与总角动量的关系原子的总磁矩由电子磁矩和核磁矩两部分组成，由于核磁矩比电子磁矩小三个数量级以上，所以可只考虑电子的磁矩这一部分。
原子中的电子做轨道运动时产生轨道磁矩，做自旋运动时产生自旋磁矩。
根据量子力学的结果，电子轨道角动量PL和轨道磁矩μL 以及自旋角动量PS和自旋磁矩μS在数值上有下列关系：,,（1-1）式中e，m分别表示电子电荷和电子质量；L，S分别表示轨道量子数和自旋量子数。
轨道角动量和自旋角动量合成原子的总角动量РJ，轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩μ，如图1-1所示：图1-1 磁矩和角动量的关系由于μS 和PS的比值是μL和PL比值的两倍，因此合成的原子总磁矩μ不在总角动量РJ 的方向上。
实验1 塞曼效应
实验1 塞曼效应塞曼效应是指在磁场中观察原子光谱的一种现象，它是由磁场对原子能级的影响所引起的。
具体来说，在磁场作用下，原子的能级会发生分裂，使得原子光谱的锐线会变成多条锐线，这些锐线的位置和强度与磁场的大小和方向有关。
塞曼效应最早于1896年由德国物理学家约翰·克尔提出，并由法国物理学家皮埃尔·塞曼于1897年进行了实验证实。
在这个实验中，他们利用了氢原子的光谱，在强磁场作用下观察光谱的变化。
实验结果表明，光谱中的锐线被分裂成了多条锐线，这些锐线的位置和强度与磁场的大小和方向有关。
塞曼效应的实现需要满足一定的条件。
首先，磁场的大小必须足够强，以使得磁作用能够影响到原子的能级；其次，原子光谱的谱线必须足够锐利，这样才能观察到明显的分裂现象；最后，要求原子光谱中有磁感应强度非零的光谱线。
在实验中，我们可以利用灯谱仪和磁铁来达到观察塞曼效应的目的。
首先，我们将氢气放置在灯谱仪中，并通过电激发氢气来产生氢原子的光谱。
然后，我们将磁铁放置在灯谱仪的侧面，使得磁场垂直于氢原子的运动方向。
最后，我们观察光谱，发现原本单一的锐线被分裂成了多条锐线，这些锐线的位置和强度与磁场的大小和方向有密切关系。
塞曼效应的表现形式包括正常塞曼效应和反常塞曼效应。
正常塞曼效应是指在磁场作用下，原本没有自旋的原子发生分裂，其中一部分能级对应的电子的自旋方向与磁场方向相同，另一部分对应的电子自旋方向与磁场方向相反。
反常塞曼效应则是指在磁场作用下，原本有自旋的原子发生分裂，其中一部分能级对应的电子继续沿原来的自旋方向旋转，另一部分能级对应的电子改变自旋方向旋转。
塞曼效应的研究不仅有重要的基础物理意义，也有实际应用价值。
在实际应用中，塞曼效应可以用来研究物质的磁性质，例如铁、镍等磁性材料的塞曼效应特征可以用来测量它们的磁矩和磁场强度，这对于材料科学和工程学都有重要的应用。
此外，塞曼效应也可以应用于核磁共振成像技术中，通过使用强磁场和高频电磁波来观察人体组织的图像，可以实现人体的无创诊断。
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实验原理
1. 电子的角动量和磁矩
原子的总磁矩等于电子的轨道磁矩和自旋磁矩之和。电子具有的轨道总 角动量 及Pr自l 旋总角动量 的数Prs 值分别为：
Pl ?
l(l ? 1) h 2?
Ps ?
S
(S
?
1)
h
2?
l,s分别表示轨道量子数和自旋量子数,它们合成为原子的角动量
普通物理(近代物理)实验
塞曼效应实验
塞曼 Pieter Zeeman
背景简介
塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。 1896年荷兰物理学家塞曼发现把产生光谱的光源 置于足够强的磁场中，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。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
n L
i
r
-e
μl
?l
?
?
e 2m
Pl
S
?s
?
?
e m
Ps
?
j
?
g
e 2m
Pj
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，在LS耦合下：
g ? 1? J (J ? 1) ? L(L ? 1) ? S(S ? 1) 2J (J ? 1)
2.原子力矩和在磁场中的能量移动
?D
f
cos? ? 1? ? 2 / 2 ? 1? D2 / 8 f
2d cos?
?
2d (1?
D2 8f 2
)
?
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
?
Dk2
?
4 f 2k d
对于不同波长 ?和 ?的?同次级k的干涉园
环有
??
?
?
?
? ??
? ( Dk2
?
Dk?2 )
由于原子总角动量在磁场中的取向是量子化的，即:
Pj cos? ? M
M称为磁量子数，只能取 M ? ? J , ? J ?共12, J+1, 个J 值。代入上式有:
?E
?
Mg
eh
4? m
B
?
Mg ? B B
其中 ? B称为玻尔磁子。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
2
1
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 g2? B B
? E1 ? M1g1? BB
因此，每个能级各分裂成个2J2＋1和2J1＋1个子能级。
? 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
B?0
3S1
3P2
B? 0
??
?
M Mg 12 00 -1 -2
23 1 3/2 00 -1 -3/2 -2 -3
??
4. 法布里珀罗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? ? ?
4
d f 2k
k k?1
k k?1
Dk ' Dk
代入： k ? 2d / ?
? ? ? ? '? ? ? Dk?2 ? Dk2 ?2
Dk2?1 ? Dk2 2d
汞灯绿光波长： λ=546.1nm
5. F—P标准具测量测电子荷质比
e ? 2?c Dk2a ? Dk2b
m
d
?B
D2 k?1
?
Dk2
e ? 1.602192 ? 10?19 me ? 9.10956? 10?31
塞曼效应实验
实验目的
实验仪器
实验原理
实验内容
数据处理
注意事项
思考问题
实验目的
1. 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； 2. 利用光谱学的方法，测定电子的荷质比。
实验仪器
8
7 6 5 432
1
9
8
图1 塞曼效应实验仪结构 1. 磁铁座 2. 电磁铁 3. 笔型汞灯及架 4. 聚光镜偏振片调节架 5.干涉滤光片光栏架
参考值：
e ? 1.75880? 1011 me
实验内容
1.调整光路，使光束通过各光学元件的中心，调节F-P标准具的平行度， 使能观察到清晰的等倾干涉圆环。
2.逐渐加大磁铁电流，观察Hg5461? 谱线的塞曼分裂现象。分别从横 向和纵向观察谱线的分支数和偏振状态。判别平面偏振的偏振方向及圆 偏振光圆偏振的旋向。将所观察到的结果与理论相比较。
?
??
??
? ? '??
?
?M2 g2
?
M1
g1
? eB
4?m
? ?~
?
1?
??
1
?
?
?M2 g2
?
M1g1 ?L
L ? eB ＝4.67 ? 10?15 B
4?mc
跃迁选择定则: ? M ? 0 ? ?线（当? J ? 0时，? M ? 0禁戒） ?M ? ?1? ?线
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 5461? 谱线是{6S7S}3S1→{6S6P}3P2能级跃迁产生的。
能级，其分裂的能级是等间隔的，且能级间隔为。
例：能级 2 P3/ 2
J ? 3 / 2 ? M ? ? 3 / 2,? 1 / 2,1 / 2,3 / 2
2 P3 / 2
3/ 2 1/ 2 ? 1/ 2 ? 3/2
分裂为四条
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E 跃迁到下能级E 所产生
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
B
力矩为：
M ? ?j?B
?? J
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 / 4为?玻m尔磁子。
r Pj
?l
?
Ps
?s
Pj
Pl
?j
Pj 图2 原子角动量和磁矩矢量图
原子的总角动量为轨道角动量和自旋角动量的和,即
其取值也是量子化的
Pj ? Pl ? Ps
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
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：