塞曼效应实验概述
合集下载
相关主题
- 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)。
6. 法布里-珀罗标准具 7. 摄谱物镜 8. 摄谱装置 (或测量望远镜) 9. 导轨
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,它们合成为原子的总角动量
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。
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
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。
?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 )
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
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? ? ?
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
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：
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
源自文库
?
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
?
??
??
? ? '??
?
?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。
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,它们合成为原子的总角动量
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。
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
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。
?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 )
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
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? ? ?
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
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：
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
源自文库
?
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
?
??
??
? ? '??
?
?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。