塞曼效应实验报告

塞曼效应实验

实验原理

1、磁矩在外磁场中受到的作用

(1)原子总磁矩在外磁场中受到力矩的作用：

其效果是磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量（PJ）绕磁场方向旋进。

(2)磁矩在外磁场中的磁能：

由于或在磁场中的取向量子化，所以其在磁场方向分量也量子化：

∴原子受磁场作用而旋进引起的附加能量

M为磁量子数

g为朗道因子，表征原子总磁矩和总角动量的关系，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：

2、塞曼分裂谱线与原谱线关系：

(1) 基本出发点：

∴分裂后谱线与原谱线频率差

由于

定义为洛仑兹单位：

3、谱线的偏振特征：

塞曼跃迁的选择定则为：ΔM=0 时为π成份（π型偏振）是振动方向平行于磁场的线偏振光，只有在垂直于磁场方向才能观察到，平行于磁场方向观察不到；但当ΔJ=0时，M2=0到M1=0的跃迁被禁止。

当ΔM=±1时，为σ成份，σ型偏振垂直于磁场，观察时为振动垂直于磁场的线偏振光。

平行于磁场观察时，其偏振性与磁场方向及观察方向都有关：沿磁场正向观察时（即磁场方向离开观察者：）

ΔM= +1为右旋圆偏振光（σ+偏振）

ΔM= -1为左旋圆偏振光（σ-偏振）

也即，磁场指向观察者时：⊙

ΔM= +1为左旋圆偏振光

ΔM= -1为右旋圆偏振光

分析的总思路和总原则: 在辐射的过程中，原子和发出的光子作为整体的角动量是守恒的。

原子在磁场方向角动量为

∴在磁场指向观察者时：⊙B

当ΔM= +1时，光子角动量为，与同向

电磁波电矢量绕逆时针方向转动，在光学上称为左旋圆偏振光。

ΔM= -1时，光子角动量为，与反向

电磁波电矢量绕顺时针方向转动，在光学上称为右旋圆偏振光。

标准具在空气中使用时，干涉方程（干涉极大值）为

实验内容

1.分析在垂直于磁场与平行于磁场方向观察Hg 546.1nm谱线在磁场中的分裂，区分π，σ+，σ-谱线，并确定磁场方向。

2.设计方案，选用合适的F—P标准具和改变磁感应强度，验证塞曼分裂的裂距与磁感应强度B的关系。

3.设计方案用塞曼分裂的波数差计算电子的荷质比。

4.讨论塞曼效应研究原子内部能级结构的方法和应用。

实验仪器

F-P标准、汞灯、棱镜摄谱仪、毫特斯拉计、滤波片、1/4波片、[线]偏振片、[凸]透镜、

实验操作

数据处理

谱线

读数

1()

mm

读数

2()

mm

读数

3()

mm

读数

4()

mm

读数平均

值()

mm

Fe标准谱线（左右两

条）71.825

71.834

5

71.818

2

71.832

71.82742 79.910

79.916

8

79.920

79.920

79.91670

无磁场时Hg待测谱线

76.825

876.830

40

76.827

8

76.833

76.82920

Hg在磁场中的分裂待测谱线（从左至右）76.607

3

76.626

76.601

76.620

8

76.61378 76.677

5

76.673

76.677

1

76.689

76.67915 76.782

2

76.783

76.776

76.777

76.77955

表格 1各谱线位置在阿贝比长仪下的读数

5.2由得到的各谱线的位置运用内插法计算各谱线的波长

计算各谱线运用内插法，即公式（13），为了计算方便，将其写成以下形式：

21

1121

()x x x x x λλλλ-=+

⋅--（14）

在公式（14）中，1x 、2x 和x 分别表示波长为1λ、2λ和x λ的谱线的位置。计算结果见表格3：

表格 2用内插法计算各谱线的波长

5.3由已测得的Hg 在磁场中的分裂光谱线估算磁感应强度，见表格4：

表格 3磁感应强度的估算

取其平均值为对磁感应强度的估测值，即

2.35B T

估＝，而实际所加磁

感应强度为 2.2B T

实＝，相对误差为100% 6.89%

B B B η-=

⨯=估

实实

。

误差分析：

1）实验室给出的磁感应强度B 与实验仪器得到的实际磁场有差异，即B 并不严格等于2.2T ；

2）用阿贝比长仪测量谱线位置时，由于谱线粗细不同，导致测量误差； 结论

本次实验运用光栅摄谱法观察到了在外磁场下Hg 谱线的分裂情况，直接验证了塞曼效应；还以Fe 谱线作为标准谱，用内插法测得了各谱线的波长，并以此故测了外加磁感应强度B ，基本实现了定量验证和分析。