塞曼效应实验
塞曼效应实验
塞 曼 效 应1896年塞曼发现，光源放在磁场内时，所发射的光谱分裂成几条，而且分裂的谱线是偏振的。
接着洛伦兹防系用经典电磁理论对分裂成三条谱线（在垂直于磁场方向观察）的情形作了解释。
进一步的研究发现，大多数谱线的塞曼分裂为多于三条，习惯上称前一种谱线分裂为正常塞曼效应，后一种谱线分裂为反常塞曼效应。
历史上对反常塞曼效应的理论研究，促进了电子自旋概念的引入，从而推进了量子理论的发展。
现今，量子力学已对反常塞曼效应作出了满意的解释。
塞曼效应证实了原子具有磁矩和空间量子化效应。
从塞曼效应的实验数据可以推断有关能级分裂情况，确定量子数和朗德因子g ，从而可获得有关原子态的重要信息，故塞曼效应是研究原子结构的重要方法之一。
本实验的主要目的是用法布里-珀罗标准具研究塞曼效应.观察Hg5461Å谱线的分裂现象以及它们的偏振状态,并通过摄谱及测量,确定电子的荷质比me值. 原 理一 塞曼效应原理概述塞曼效应的产生是由于原子磁矩与磁场作用的结果.在忽略很小的核磁矩的情况下,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l P 及自旋总角动量s P 的数值分别为: π+=2)1(h l l P l 和 π+=2)1(h S S P s 式中s l ,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j P 如图5.1(A)所示.j P j (b)图5.1 原子角动量和磁矩矢量图 电子的轨道总磁矩l μ和自旋总磁矩s μ的数值分别为 l l P m e 2=μ s s P me =μ 式中e,m 分别为电子的电荷和质量.它们合成为原子的总磁矩s μ如图5.1(a)所示.由于l μ与P ι的比值不等于s μ与P s 的比值.因此原子总磁矩μ不在总角动量j P 的延长线上.但是l P 和s P 是绕j P 旋进的,将μ分解为两各分量,一个沿j P 的延线以j μ表示,另一个垂直于j P 的以L μ表示.由于μ的旋进很快,L μ绕j P 旋转对时间的平均效应为0,因此只有平行于j P 的j μ是有效的.这样有效总磁矩便是j μ,见图5.1(b)所示,其数值为:j j P me g2=μ 其中g 为朗德因子,对于LS 耦合)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g当原子处于磁场中时,总角动量j P ,也就是总磁矩j μ将绕磁场方向作旋进,这使原子能级有一个附加能量:)c o s (2)c o s (B P BP meg B PB E j j j j =μ=∆ 由于j P 或j μ在磁场中的取向是量子化的,即j P 与磁感应强度B 的夹角)(B P j 不是任意的,则j P 在磁场方向的分量)cos(B P P j j 也是量子化的,它只能取如下的数值:π=2)c o s (hM B PP j j 式中M 为磁量子数,M=J,J-1,…,-J,共2J+1个值,于是得到B Mg E B μ=∆其中mheB π=μ4为玻尔磁子.上式说明在稳定的磁场情况下,附加能量可有2J+1个可能数值.也就是说,由于磁场的作用,使原来的一个能级,分裂成2J+1个能级,而能级的间隔为B g B μ，由能级E 1和E 2间的跃迁产生的一条光谱线的频率为:=hv E 1-E 2，在磁场中,由于E 1和E 2能级的分裂,光谱线也发生分裂,它们的频率υ'与能级的关系为: ()22E E v h ∆+='-()B g M g M hv E E B μ-+=∆+)(112211 分裂谱线与原线频率之差为:()m eBg M g M v v v π-=-'=∆41122 换为波数差的形式:()meBg M g M v v v π-=-'=∆41122 式中meeBπ4为正常塞曼效应时的裂距(相邻谱线之波数差),规定以此为裂距单位,称为洛伦兹单位,以L 表示之,则上式可写为:()L g M g M v v v 1122-=-'=∆M 的选择定则为ΔM=0,±1(ΔJ=0,M 2=0→M 1=0的跃迁被禁止).1. ΔM=0. 垂直于磁场方向(横向)观察时,谱线为平面偏振光,电矢量平行于磁场方向.如果沿与磁场平行方向(纵向)观察,则见不到谱线.此分量称为π成分.2. ΔM=±1. 迎着磁力线方向观察时,谱线为左旋圆偏振光(电矢量转向与光传播方向成右手螺旋);在垂直于磁场方向(横向)观察时,则为线偏振光,其电矢量与磁场垂直.此分量称为σ+成分.3. ΔM=-1. 迎着磁场方向观察时,谱线为右旋圆偏振光(电矢量转向与光传播方向成左手螺旋);在垂直于磁场方向(横向)观察时,则为线偏振光,电矢量与磁场垂直.此分量称为σ-成分.以汞5460.74Å光谱线的塞曼分裂为例,该谱线是能级6s7s 3S 1到6s6p 3P 2之间的跃迁.这与两能级及其塞曼分裂能级对应的量子数和g,M,Mg 值列表如下:3S3P 2图5.2 汞5461Å谱线的塞曼分裂示意图由图5.3可见,在与磁场垂直的方向可观察到九条塞曼分裂谱线,沿磁场方向只可观察到六条谱线.由计算可知,相邻谱线的间距均为1/2个洛伦兹单位. 由公式B meeB 24λπ=λ∆我们可估算出塞曼分裂的波长差数量级的大小.设λ=5000Å,B=1T 而meeBπ4可算得为46.7/米.T,将各个数据代入上式得Δλ=0.1Å,可见分裂的波长差非常小.要分辨如此小波长差的谱线,普通的摄谱仪是不能胜任的,必须用分辨本领相当高的光谱仪器,如大型光栅摄谱仪,阶梯光栅,法布里-珀罗标准具(简称F-P 标准具)等.在本实验中我们使用F-P 标准具作为色散器件.二、F-P 标准具简介这一光学仪器是由法布里-珀罗在1897首先制造和使用的并因此而得名,它是高分辨仪器中应用最广的一种.它主要是由两块平行玻璃板组成,而二极板间的距离可用非常精密的螺M 2g 2 M 2 2 1 0 0 -2 -1M 1g 1 M 1 32 3/2 10 0-3/2 -1-3 -2 σ- π σ+丝杆在严格的平面上滑动,以改变间距并精确地保持平行,这种仪器称为F-P 干涉仪.若两平板用石英或铟钢制成的间距器隔开以保持两板的平行和有固定间距的,称为F-P 标准具.两板相对的表面应是精密的光学平面(误差小于λ/20)而且严格平行,平面上要镀铝,银或某些介质膜以便使其具有较高的反射率.而二板的外表面并不要求和内表面严格平行,一般在它们之间有一个小的角度(小于一度),这样可以避免由于玻璃外表面干涉所产生干扰. ιA B图5.3 F-P 标准具的原理图如图5.4所示,A,B 二极板间的距离为t 0.光的入射角为ϕ,板间的媒质为空气(折射率设为1),则两相邻两光束间的位相差为 ϕλπ=∆c o s 2.2t [5.2] 形成亮条纹的条件是 λ=ϕk t c o s 2 [5.3]式中k 为干涉级次.由上式可知,F-P 标准具在宽广单色光源照射下,在聚光镜的焦面上将出现已组同心圆环─等倾干涉圈.由于F-P 的标准具的间距t 比波长大得多,故中心亮斑的级次是很高的.设中心亮斑的级次为k m ,则第一个圆环的级次为k m -1,第二个为k m -2,依次类推. 以下简单介绍F-P 标准具两个主要的特征参数.1.自由光谱区△λFSR设入射光中包含两种波长,其波长分别为λ1与λ2,且λ1和λ2很接近.由(5.3)式可知,与不同波长λ1和λ2对应的同一级次的干涉,有不同的角半径1ϕ和2ϕ,故这两种波长的光各产生一组亮圆环.如果λ1>λ2,则λ2的各级圆环套在波长λ1的相应各级圆环上,如图5.5所示.λ1>λ2图5.4 波长为λ1与λ2的光的等倾干涉圆环波长差△λ=λ1-λ2的值愈大,两组圆环离得愈远,当波长差△λ增加到使λ2的k 级亮圆环移动到λ1的(k-1)级亮圆环上,使两环重合,这时的波长差称为F-P 标准具的自由光谱区,以△λFSR表示.为了计算△λFSR ,先引入与光栅相似的角色散率λϕd d ,表示F-P 标准具的色散能力.于是自由光谱区可由下式算得: ϕ∆ϕλ=λ∆d d (5.4) 式中的ϕλd d 是标准具的角色散率倒数,ϕ∆为与△λFSR ,相对应的角间距.由(5.3)式使k 为常数求导数得kt d d ϕ-=ϕλc o s2 以λϕ=cos 2t k 代入上式,则得ϕλ-=ϕλtg d d 又由(5.3)式使λ为常数,求导数得ϕλ-=ϕs i n 2t dk d 令△k =1,则得相邻级次干涉亮环的角间距 ϕλ-=ϕ∆s i n 2t分别将ϕ∆ϕλ及d d 之值代入(5.4)式,则得 △λFSR =ϕλ=ϕλ-ϕλ-cos 2)sin 2)((2t t tg 对于近中心的干涉圆环,0=ϕ则有△λFSR =t22λ设λ=5000Å,t=10mm,则△λFSR =0.12Å.可见F-P 标准具能分辨很小的波长差.当波长差超过△λFSR ,时,相邻两组干涉圆环将相互重叠,而无法分辨.所以使用标准具时,必须先将入射光用摄谱仪,单色仪或滤光片使被测光谱线从全部光谱中分离出来,再射入F-P 标准具去进行观测 2.反射细度常数F R F R 定义为: F R =δλλ∆FSR其中δλ为标准具能分辨的最小波长差.经一定理论推算可得: F R =RR-π1 式中R 为标准具镀膜面的反射率.F R 的物理意义是,在自由光谱区内按照一定的判据,能够分辨的最多条纹数.从以上可见F R 仅由R 决定,R 愈高则F R 也越大,仪器的分辨本领也越高.但是实际上表面加工精度有一定误差,而且反射膜也不可能完全均匀,因此仪器的实际F R 值往往比理论值小,一般大约在30~150之间. 三、微小波长差的测定公式从以上简介可知,F-P 标准具只能用来测量微小的波长差,而且此差值必须处于仪器分辨极限δλ与自由光谱区△λFSR 之间的范围内.设两个波长相近的单色光λ和λ′一起通过F-P 标准具,公式环成像于透镜的焦平面上,便可得到对应的两套同心圆环,其中某相邻二级次的圆环如图5.6所式.图5.5 由图5.7可见,圆环直径d 与透镜焦距f 有如下关系; ϕ=f t g d 2图5.6 干涉圆环直径与透镜焦距关系图 对于近中心圆环则有:ϕ=f d 2 又根据干涉极大公式(5.3)所示,可写出成像透镜 λ′第k 级⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ϕ-=ϕ=λ212cos 22t t k 由上两式可得λ=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-k f d t 22812 将上式用于同级次的不同波长λ和λ′,则有λ=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-k f d t k 22812 及 λ=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛'-k f dt k 22812 其中d k 及d k ′分别是波长为λ及λ′的k 级圆环直径. 二式相减得kf td d k k2224)(-'=λ'-λ=λ∆ (5.6) 又将(5.5)式用于波长为λ的不同级次的圆环,有:λ+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+)1(812221k f d t k (5.7) 及 λ=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-k f d t k22812 (5.8) 其中d k+1是波长为λ的第k+1级圆环直径.(5.8)式减(5.7)式得:tf dd k k λ=-+22124 (5.9)由(5.9)式可知,在确定的t 和f 情况下,对于同一波长λ的光,相邻级次圆环的直径平方差为一常数.将(5.9)式代入(5.6)式,则得:k d d d d k k k k λ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--'=λ∆+21222,对于近中心圆环,应用(5.3)式可将上式写为 t d d d d k k k k 2221222λ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--'=λ∆+ (5.10) 由上式可见,已知t 和λ时,通过测量圆环的直径,便可确定二光的波长差. 将(5.1)式改为波长差的形式,则得mceB g M g M πλ-=λ∆4)(21122将(5.10)式代入上式,便得电子荷质比的公式)()(2212221122+--'-π=k k k k d d d d Bt g M g M cm e实 验 装 置 和 实 验 方 法一、实验装置1.电磁铁电磁铁用直流稳压电源(图5.8中的A)供电.电压可调,最大电流强度为5A.实验中一般情况所加电流约3A 左右,相应的磁感应强度为1特斯拉左右.为了避免由于电流引起磁场线圈发热而导致场强的飘移,实验时必须开通磁场线圈的冷却水.磁感应强度的测量是用冲击电流计和探测线圈测定的,为了方便,实验者可测激磁电流I,然后利用实验时提供的磁铁B-I 拟合方程式计算出B 的数值.激磁电流I 由串接在电路中的标准电阻两端的电压值确定.标准电阻两端的电压用数字电压表(图中的B)测量,数字电压表具有很高的输入阻抗,因此可以满足电压测量的准确度.MPF P F L SN电磁铁图5.7 塞曼效应实验装置图电磁铁的一个磁极钻有小孔,光可沿磁力线平行方向射出,以便作纵向观察.不用时,小孔插入一软铁芯,以保持磁场的均匀性,使用时拔出铁芯,将磁铁旋转90℃即可. 2.光源及供电系统采用笔形汞灯作为光源.它是一种低压放电管,具有光谱线宽较窄.灯管直径小等优点.灯管由霓虹灯变压器(图中的C)供电,霓虹灯变压器的初级与一自耦变压器相联,输入电压可调,一般初级电压为40伏,相应的工作电流约在5~10mA.灯管开启后亮度逐渐增加,约预热15分钟后可达稳定.当加磁场时,灯的亮度显著增大,达到稳定也需一定时间. 3.干涉滤光片干涉滤光片是利用薄膜干涉原理,在光学玻璃基板上镀上一定厚度的金属膜或多层介质膜而制成的.镀膜的作用是使某一频率的光获得透射的干涉极大,从而达到滤光的目的.干涉滤光片都具有一定的中心波长和带宽.本实验使用的干涉滤光片中心波长为5461Å,带宽为200Å.汞的发射光谱在可见区是分立的,尤其在5461Å附近谱线间隔很大,因此滤光片即使具有一定的带宽也容易将光谱分离.4. 照相机系统照相机的成像透镜L 2的焦距为200mm.通过L 2可使从F-P 标准具来的光线相干叠加后成像于照相底板上.若另加一目镜L 3与其构成一望远镜系统,则可直接观察塞曼分裂图像.5. 偏振片和1/4波片偏振片和1/4波片都装在特制的支架上,可以绕光轴自由转动,在它们上面分别刻有偏振片的透射轴和1/4波片的快轴的标记.用它们可以观察和分析光的偏振特征.二、F-P 标准具的调整方法F-P 标准具的两个内表面必须严格平行,在使用前须利用三个压紧弹簧螺丝来加以调整.方法是观察谱线的等倾干涉圆环,当眼睛沿平行于镜面作上下,左右移动时,若发现朝某一个调节螺丝所在发现移动时,观察到的中心干涉圆环冒出或扩大,这时应调紧这个螺丝,使此方向的镜片间隔减小,或者调松相反方向的两个螺丝.反之若发现中心干涉圆环缩小,湮没,则作与上述相反的调节.如此反复多次调节,直到干涉圆环不随眼睛移动而变化为止.三、圆偏振光旋向的判别在作纵向观察σ分量时,首先利用1/4波片和偏振片验证σ光为圆偏振光,然后还可进一步判别它们的旋向.设有一左旋圆偏振光,从纸面下向上传播.现取x-y 坐标系如图5.9所示,将E 矢量(实际上是E 在x-y 平面上的投影)分解为二垂直分振动,即 E x =E m cos(ωt), E y =E m sin(ωt) yx图5.8 左旋圆偏振光电矢量的分解图 图设坐标的选取恰好使1/4波片的快轴F 与y 轴重合,则此左旋圆偏振光通过1/4波片后,使E y 分量获得2π的位相补偿,结果上二式变为: E x =E m cos(ωt), E y =E m sin(ωt+2π) 显然这时二分振动变为同位相, 圆偏振光变为线偏振光,且偏振方向与 轴夹角的正切为 45,1=θ==θ即Xy E E tg这时如将检偏器的透射轴转到与E 垂直的P 位置(如图5.10所示),则必消光.由此可得旋向判别法则:设想从y(快轴)转向P(位于消光位置的透射轴),转向为逆时针方向时可判定为左旋圆偏振光;转向为顺时针方向时判为右旋.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Hg5461Å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,并在实验报告中作全面报告.3. 拍摄Hg5461Åπ成分,同时测出磁感应强度.4. 用读数显微镜选出4个级次的干涉环进行圆环直径的测量.通过公式计算出电子的荷质比me之值. 5. 进行误差分析和讨论.注 意 事 项1． 贡灯的电压近万伏，工作时要注意安全。
大学物理 塞曼效应实验
实验 七 塞曼效应实验英国物理学家法拉第(M ．Faraday)在1862年做了他最后的一个实验，即研究磁场对光源的影响的实验。
当时由于磁场不强，分光仪器的分辨率也不大，所以没有观测到在磁场作用下光源所发出的光的变化。
34年后，1896年荷兰物理学家塞曼(P ．Zeeman)在莱顿大学重做这个实验，他在电磁铁的磁极间将食盐(NaCl)放入火焰中燃烧发出的钠光，用3米凹面光栅(473条／毫米)摄谱仪去观察钠的两条黄线。
他发现在磁场的作用下，谱线变宽(如果磁场再强些或摄谱仪的分辨率再高些，就能看到谱线分裂)，这一现象称为塞曼效应。
当时原子结构的量子理论尚未产生，洛仑兹用经典的电子理论对这一现象进行了理论计算，得出所谓正常塞曼效应的结果，即当光源在外磁场的作用下，一条谱线将分裂成三条(垂直于磁场方向观察)和二条(平行于磁场方向观察)偏振化的分谱线。
当实验条件进一步改善以后，发现多数光谱线并不遵从正常塞曼效应的规律，而具有更为复杂的塞曼分裂。
这现象在以后的30年间一直困扰着物理学界，从而被称为反常塞曼效应。
1925年乌仑贝克和古兹米特为了解释反常塞曼效应和光谱线的双线结构，提出了电子自旋的假设。
应用这一假设能很好地解释反常塞曼效应。
也可以说：反常塞曼效应是电子自旋假设的有力根据之一。
普列斯顿(Preston)对塞曼效应实验的结果进行了深入研究，1898年发表了普列斯顿定则。
即同一类型的线系，具有相同的塞曼分裂。
龙格(Runge)和帕邢(Paschen)也进行了大量的实验研究，1907年发表了龙格定则。
即将所有塞曼分裂的图象，都可用正常塞曼效应所分裂的大小(做为一个洛仑兹单位)的有理分数来表示(见附注一)从他归纳钩结果中可以一目了然地看到所有塞曼分裂的图象和规律。
综上所述。
反常塞曼效应的研究推动了量子理论的发展和实验手段的进步，近年来在原子吸收光谱分析中用它来扣除背景，以提高分析的精度。
该实验证实了原子具有磁矩、自旋磁矩和空间量子化，迄今仍是研究原子能级结构的重要手段之一。
塞曼效应实验的报告完整版
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报告标题：塞曼效应实验
I.实验目的
本实验旨在通过模拟和观察塞曼效应，以加深对其机理的理解。
II.实验原理
塞曼效应是一种电磁学效应，能够在一个可逆的非线性系统中产生特殊的振荡行为，并可以在实验中得到观察。
该效应的本质是由于振子实体和振子系统之间存在耦合、反馈所致。
III.实验装置
本实验采用塞曼效应实验装置，由振子、激励电路、检测电路及检测仪组成。
IV.实验步骤
1. 用激励电路给振子施以外力，使振子振荡起来，检测电路会检测振子的振幅和频率，并将数据显示在检测仪上；
2. 逐渐增大激励电路的电流，观察振子振幅和频率的变化；
3. 逐渐减小激励电路的电流，观察振子振幅和频率的变化；
4. 重复上述步骤，观察塞曼效应的变化。
V.实验结果
随着激励电路的电流的增加，振子的振幅和频率也会随之增大，当电流达到一定程度时，振子的振幅和频率开始急剧减小，甚至几乎停止振动，然后再慢慢回升，这正是塞曼效应的表现。
VI.实验总结
本实验通过模拟和观察塞曼效应，加深了对其机理的理解。
实验结果表明，在激励电路的电流达到一定程度时，振子的振幅和频率开始急剧减小，甚至几乎停止振动，然后再慢慢回升，这正是塞曼效应的表现。
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。
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。
塞曼效应(大学近代物理实验)
用波数表示：
v~ab
1 2d
D 2 ab D 2
测量并计算荷质比
对于正常的塞曼效应,分裂谱线的波数差为
L e B 4mc
e m
2cDa2b
dBD 2
五、实验内容与步骤
1、横向观察塞曼分裂
（1）转动电磁铁，使之横向放置，调节测量台，使笔型汞 灯竖直放置在磁隙正中，接通汞灯电源。在光学导轨上依次 安放聚光透镜、滤光片、法布里-珀罗标准具、刻度盘、成像 透镜、读数显微镜，调节平行、同轴；
原子中的电子在作自旋运动的同时还作轨道运动。因此它具
有自旋角动量 矩 L
Ps
和自旋磁矩
,以及轨道角动量
s
PL 和轨道磁
Ps s(s 1)h~
s
e m
Ps
~ PL L(L 1)h
L
e 2m
PL
总比磁值矩,所以则是不在与s 总L的角合动成量。PJ的由延于长与s线P上s的。比但值是不,同Ps和于PLL都与是PL的绕 着PJ旋进的,因此 s、 L 和也都是绕着PJ 的延长线旋进的。如 果把 分解成方向在PJ延长线的分量J和与之垂直的另外一 个分量,则后者在绕PJ 转动时,对外的平均效果完全抵消。这 样,对外发生效果的只是 J。因此,人们就将 J 称之为“原子 总磁矩”。
用上面所述的方法，可以求出它的塞曼分裂。下图表示在 外磁场作用下，3S1 和 3P2能级的分裂。
表1
7 3S13 S1
6 3P2 3P2
L
0
1
S
1
1
J
1
2
g
2
3/2
M 1 0 -1 2 1 0 -1 -2
Mg 2 0 -2 3 3/2 0 -3/2 -3
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。
塞曼效应实验报告误差(3篇)
第1篇一、实验背景塞曼效应是指在外磁场作用下，原子光谱线发生分裂的现象。
该效应是量子力学和原子物理学中的一个重要实验，通过观察和分析塞曼效应，可以研究原子的能级结构、电子的角动量和自旋等基本物理量。
本实验旨在通过实验验证塞曼效应，并分析实验过程中可能出现的误差。
二、实验原理1. 塞曼效应的原理当原子置于外磁场中时，原子内部电子的轨道角动量和自旋角动量会相互作用，产生总角动量。
总角动量在外磁场中具有量子化的取向，导致原子能级发生分裂，从而产生塞曼效应。
2. 塞曼效应的能级分裂根据量子力学理论，原子在外磁场中的能级分裂可表示为：ΔE = -μB·g·J(J+1)其中，ΔE为能级分裂能量，μB为玻尔磁子，g为朗德因子，J为总角量子数。
三、实验方法1. 实验仪器本实验采用光栅摄谱仪、电磁铁、聚光透镜、偏振片、546nm滤光片、F-P标准具等仪器。
2. 实验步骤（1）将光栅摄谱仪调整至最佳状态，确保光谱清晰。
（2）将电磁铁的磁场强度调整至预定值。
（3）将汞灯发射的光通过546nm滤光片，使其成为单色光。
（4）将单色光通过电磁铁，使其在磁场中发生塞曼效应。
（5）通过光栅摄谱仪观察和记录塞曼效应的分裂谱线。
（6）调整电磁铁的磁场强度，重复实验步骤，记录不同磁场强度下的分裂谱线。
四、实验结果与分析1. 实验结果通过实验，我们观察到汞原子546.1nm谱线在磁场中发生了分裂，分裂谱线的条数与磁场强度有关。
2. 误差分析（1）系统误差1）仪器误差：光栅摄谱仪、电磁铁等仪器的精度和稳定性会影响实验结果，导致系统误差。
2）环境误差：实验过程中，环境温度、湿度等因素的变化也会对实验结果产生一定影响。
（2）随机误差1）人为误差：实验操作过程中，如调整仪器、记录数据等环节，可能存在人为误差。
2）测量误差：测量磁场强度、光谱线强度等物理量时，可能存在测量误差。
（3）数据处理误差1）谱线识别误差：在观察和分析分裂谱线时，可能存在谱线识别误差。
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。
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塞曼效应实验报告完整版
实验目的：
通过进行塞曼效应的实验，研究射线源在磁场中的分裂现象，验证波粒二象性的存
在。
实验原理：
塞曼效应，是指原本等能级的原子在外磁场作用下，出现不同的能级分裂。
可以用
光子或其他粒子流的谱线来观察。
物质在外磁场中，上下能级之间产生能量差，使得粒子
发射出光子，光谱上的位置发生了偏移。
实验仪器：
光度计、干涉仪、磁场源、光源、光学接口装置、光电倍增管等。
实验步骤：
1、安装实验仪器，并开启磁场源。
2、引入射线光源，调整透光孔的大小，使光线通过光学接口进入干涉仪。
3、按照干涉仪的使用方法，将光线分裂成两条，并分别通过两个磁场源，经过调整，使得两个光路中光的能级相差光子的数量，即出现干涉条纹。
4、使用光度计测量两条光路的干涉条纹的强度，并记录数据。
5、重复以上实验步骤，分别改变光的波长和磁场强度，多次测量干涉条纹的位置和
强度。
实验结果：
1、在磁场作用下，两个不同的能级出现了不同的能量分裂。
2、通过干涉仪观察到了干涉条纹，并记录了干涉条纹的位置和强度。
实验分析：
1、塞曼效应的观察证明了波粒二象性的存在。
2、干涉条纹的出现和强度变化，说明干涉仪可以用于精确测量物质的性质。
3、通过测量不同条件下的干涉条纹，研究物质的性质和特性有重要意义。
通过本实验观察到了塞曼效应的现象，并通过干涉仪得到了干涉条纹的位置和强度变化。
通过研究物质在不同条件下的干涉条纹，可以研究物质的性质和特性，具有重要的研究价值。
塞曼效应
大学物理实验报告【实验名称】塞曼效应实验【实验目的】1、加深对原子磁矩及其空间取向量子化等原子物理学概念的理解。
2、学习法布里-玻罗标准具（F-P标准具）的使用及其在光谱学中的应用。
3、掌握利用塞曼效应实验测量电子荷质比的方法。
【实验仪器】汞灯、聚光透镜、F-P标准具、偏振片、滤光片、成像透镜、望远镜【实验原理】1. 谱线在磁场中的能级分裂谱线在磁场中的能级分裂，是与外磁场和原子间的相互作用密切相关的。
在研究外磁场和原子的相互作用时，原子的磁矩是一个重要的物理量。
原子中的电子具有和轨道运动、自旋运动相应的轨道磁矩、自旋磁矩，原子核也有磁矩，它们的表达式具有he/4πm的倍数的形式，其中，h为普朗克常数，e为电子电荷，m为质量。
由于质子的质量大于电子质量的1836倍，因此核磁矩比电子磁矩要小三个数量级，所以计算原子总磁矩时核磁矩可暂不考虑。
对于多电子原子，角动量之间的相互作用有LS耦合模型和JJ 耦合模型。
对于LS耦合，电子之间的轨道与轨道角动量的耦合作用及电子间自旋与自旋角动量的耦合作用强，而每个电子的轨道与自旋角动量的耦合作用弱，实际遇到的大多数情况是属于LS耦合，本文仅讨论LS耦合的情况。
原子中的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩，它在磁感应强度为的磁场中，受到力矩的作用而绕磁场方向旋进，即总角动量也绕磁场方向旋进，如图1所示。
图1 原子的总磁矩受磁场作用发生进动（1）磁矩在外磁场中的磁能：(2)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：(3)故原子受磁场作用而旋进引起的附加能量：(4)其中μB=eh/4πm被称为玻尔磁子，M为磁量子数,g为朗德因子，朗德因子g表征原子的总磁矩和总角动量的关系，它随电子角动量相互作用时的耦合类型不同有不同（LS耦合和JJ耦合）有两种解法。
在LS耦合下：(5)其中：L为总轨道角动量量子数S为总自旋角动量量子数J为总角动量量子数M只能取J，J-1，J-2 ……-J（共2J+1）个值，即ΔE有(2J+1)个可能值。
揭示原子光谱的塞曼效应实验
揭示原子光谱的塞曼效应实验引言：光谱研究是物理学领域中至关重要的一部分，它帮助我们理解原子和分子的结构与相互作用。
塞曼效应实验是一种揭示原子光谱中磁场对谱线的影响的重要实验。
本文将介绍塞曼效应的基本原理和实验过程，以及该实验在科学领域中的应用和其他相关专业性角度的讨论。
一、塞曼效应的基本原理塞曼效应是法国物理学家塞曼于1896年首次发现的，他研究的对象是光源经过磁场后的光谱变化。
塞曼效应实验证实了光谱线可以被磁场分裂成多个子谱线，这种分裂称为塞曼分裂。
塞曼效应的产生是由于原子中的电子在磁场中的运动受到了限制，磁场的强弱和方向对塞曼分裂的形式以及分裂的数量起到了重要作用。
在塞曼效应实验中，我们通常使用光源和磁场来观察和测量光谱线的塞曼分裂。
根据不同的实验目的和要求，我们可以选择不同类型的光源和磁场设备。
二、实验准备1. 光源选择：在塞曼效应实验中，我们可以使用气体放电灯、Hg 灯或其他特定的光源。
这些光源可以产生特定波长的光，并且其光谱线的特征是我们研究塞曼效应的关键。
2. 磁场设备：为了产生磁场，我们通常使用电磁铁。
电磁铁由线圈和电源组成，通过调节电流的大小和方向，我们可以控制磁场的强度和方向。
3. 测量仪器：在实验中，我们需要使用光谱仪、光电倍增管或其他测量仪器来观察和测量光谱线的塞曼分裂。
这些仪器能够将光信号转换为电信号，并且可以测量出光谱线的位置和强度。
三、实验过程1. 实验装置搭建：根据实验的需要，我们首先搭建好实验装置。
设置好光源、磁场设备和测量仪器的位置和参数。
2. 记录光谱线：打开光源和磁场设备，观察和记录在不同条件下光谱线的位置和形态。
注意调节磁场的强度和方向，以观察到不同的塞曼分裂情况。
3. 测量光谱线的位置和强度：使用光谱仪和光电倍增管等测量仪器来测量光谱线的位置和强度。
这些数据可以被用来计算塞曼效应的相关参数。
四、实验应用和专业性角度的讨论塞曼效应实验在不同领域中有着广泛的应用。
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
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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.doc
塞曼效应实验报告.doc一、实验目的1.研究磁场对光谱线的影响。
2.了解路易斯-埃因斯坦定律。
3.实验测量塞曼效应中磁场对频率的影响。
二、实验原理路易斯-埃因斯坦定律指出：当一个光子与一个物质发生相互作用时，光子的能量将被全部或部分地转移到物质中。
2.塞曼效应塞曼效应也称作塞曼-吕尔德效应。
当原子受到外部磁场作用时，它们的光谱线将发生分裂，分裂的数量是和磁场的强度以及离子的自旋角动量之间的相互作用有关系的。
当一束光通过一个磁场时，原先一条谱线变成了多条具有不同极性的谱线。
三、实验仪器本实验所使用的仪器有：实验仪器箱、氦氖激光、干涉仪、磁铁、硬纸板。
四、实验步骤1.将激光引入平行光管中，打开干涉仪，使干涉仪的两个反射片之间距离相差Δl。
2.在干涉仪中加入磁铁，调节磁场强度。
3.观察到在不同磁场下的光谱线与平行干涉的干涉图案。
5.在硬纸板上标出各个初级线、次级线的位置，量取该位置之间的距离。
6.用初级线到次级线的距离代替Δl值，测出各次级线到初级线的差异位移。
五、实验结果在不同的磁场下，测得光谱线的位移如下表：光谱线 | 磁感应强度B/T | 差异位移Δx/mm:--:|:--:|--:R1 | 0.88 | 1.5R2 | 1.82 | 3.0R3 | 2.85 | 4.5B1 | 0.88 | -1.5B2 | 1.82 | -3.0B3 | 2.85 | -4.5六、实验分析由于该实验是将激光通过干涉仪，再将光照射在纸板上进行观察，所以对光子的能量没有太大的影响，因此验证了路易斯-埃因斯坦定律。
2.磁场对频率的影响在不同强度的磁场下，谱线会发生分裂，这种现象称为塞曼效应。
塞曼效应在物理学研究中得到了广泛的应用，例如磁共振成像（MRI）。
本实验通过观察不同磁场下氦氖激光的光谱线的分裂情况，验证了路易斯-埃因斯坦定律，并研究了磁场对频率的影响。
本实验还介绍了塞曼效应的应用。
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
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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磁矩在外磁场中的磁能
在磁场中取向量子化，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为朗德因子，朗德因子g表征原子的总 磁矩和总角动量的关系，它随电子角动量相互作用时 的耦合类型不同有不同（LS耦合和JJ耦合）有两种解 法。
1.2
ml、ms分别表示原子轨道角动量和自旋角动量在磁 场方向投影的量子数。
在强磁场中，塞曼跃迁的选择则为 原子由E2跃迁到E1的谱线在强磁场下为
分裂后的谱线与原谱线的波数差
无磁场时的一条谱线在强磁场中总是分裂成3条谱线
对应σ偏振态
对应π偏振态
反常塞曼效应是指在弱磁场中的原子，由于磁场 足够弱,因而自旋轨道耦合能量不能忽略;原子能级 的精细结构因弱磁场的存在而进一步发生分裂， 称为反常塞曼效应。
实 验 背 景 1.1
塞曼效应是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 ，证实了原子具有磁距和空间取向量子化，使人们对物 质光谱、原子、分子有更多了解。塞曼效应另一引人注 目的发现是由谱线的变化来确定离子的荷质比的大小、 符号。根据洛仑兹(H.A.Lorentz)的电子论，测得光谱的 波长，谱线的增宽及外加磁场强度，即可称得离子的荷 质比。
拉曼效应的应用
1908年美国天文学家海尔等人在 威尔逊山天文台利用塞曼效应， 首次测量到了太阳黑子的磁场。
应用正常塞曼效应测量谱线分 裂的频率间隔可以测出电子的 荷质比，与约瑟夫汤姆逊在阴 极射线偏转实验中测得的电子 荷质比数量级是相同的，证实 了电子的存在。
1.2
实验目的
1、本实验通过观察并拍摄Hg(546.1nm)谱 线在磁场中的分裂情况，研究塞曼分裂谱 的特征， 2、学习应用塞曼效应测量电子的荷质比 和研究原子能级结构的方法。
2. 观察塞曼分裂的方法
塞曼分裂的波长差很小
Hg 5461 Å谱线为例当处于B=1T的磁场中
法布里—珀罗空腔谐振器
R为反射率，R一般在90%。使用标准具时光近 似正入射。
例如：
d=5mm，R=90%，λ=546.1nm，Δλ=0.001nm
波长差
DK 、DK-1分别为相邻两级K和(K-1)级圆环的直径
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。
ΔM= +1为左旋圆偏振光, 磁场指向观察者时：⊙ ΔM= -1为右旋圆偏振光
Hg 5461Å谱线，{6S7S}3S1→ {6S6P}3P2能级跃迁产生分裂后， 相邻两谱线的波数差
当外磁场比原子内部磁场强得多时（原子内部磁场 的数量级为几十特斯拉），原子轨道磁矩和自旋磁 矩分别与磁场的相互作用能明显地超过了轨道── 自旋相互作用能，可认为轨道一自旋耦合破坏，（ 即LS耦合破坏）。在强磁场下，原子受磁场作用的 附加能量为
λa，λb波长的第K级干涉圆环直径分别为 Da和Db
——实验仪器与内容
2.1 实验仪器：
实验仪器与内容 2
电磁铁 毫特斯拉计 汞灯 滤光片 法布里-珀罗标准具（5mm） 偏振片 l/4波晶片 透镜 望远镜
实验仪器
电源用交流220V通过 自耦变压器接到霓虹灯 变压器上，由霓虹灯变 压器点燃就电管。自耦 变压器用来调节放电管 的电流强度。
鼠标点击红色电源开关， 打开或关闭电源。
毫特斯拉计仿真仪器
特斯拉计用来测量电 磁铁的磁场强度。实 验中的磁场可能超过 1T，通常放置到 “2500”档。测量时 先将探测笔与特斯基 连接，放置到磁铁中 央后选择合适的测量 档进行测量。
实 验 原 理 1.2
1. 谱线在磁场中的能级分裂
谱线在磁场中的能级分裂，是与外磁场和原子间的 相互作用密切相关的。在研究外磁场和原子的相互作用 时，原子的磁矩是一个重要的物理量。原子中的电子具
有轨道磁矩、自旋磁矩，原子核磁矩，它们的表达 式具有
h为普朗克常数，e为电子电荷，m为质量
的倍数的形式。 由于质子的质量大于电子质量的1836倍， 因此核磁矩比电子磁矩要小三个数量级，所以计算原子 总磁矩时核磁矩可暂不考虑。
主要 内容
1 实验背景与原理 2 实验仪器与内容 3 实验总结、探讨与应用
——实验背景与原理
实 验 背 景 1.1
Zeeman（1865-1943）
请Hale Waihona Puke 这里输入论文答辩荷兰物理学家塞曼 (Zeeman)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
几个月后，J、J汤姆逊正是借助于塞曼效应由洛仑 兹理论算得的荷质比，与他自己所测得的阴极射线的 荷质比进行比较具有相同的数量级，从而得到确实的 证据，证明电子的存在。塞曼效应被誉为继X射线之 后物理学最重要的发现之一。1902年，塞曼与洛仑兹 因这一发现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）。至今，塞曼 效应依然是研究原子内部能级结构的重要方法。
对于多电子原子，角动量之间的相互作用有LS 耦合模型和JJ 耦合模型。对于LS耦合，电子之 间的轨道与轨道角动量的耦合作用及电子间自 旋与自旋角动量的耦合作用强，而每个电子的 轨道与自旋角动量的耦合作用弱，实际遇到的 大多数情况是属于LS耦合。
原子中的轨道磁矩 和自旋磁矩合成为 原子的总磁矩μ在 磁感应强度为E的 磁场中，受到力矩 L的作用而绕磁场 方向旋进，即总角 动量PJ也绕磁场方 向旋进，
在LS耦合下：
L为总轨道角动量量子数 S为总自旋角动量量子数 J为总角动量量子数 M只能取J，J-1，J-2 …… -J（共2J+1）个值，即ΔE 有(2J+1)个可能值。
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 间隔正比于磁场B和朗德因子g
塞曼分裂谱线与原谱线关系：
在磁场中，若上下能级都发生分裂，新谱线的频率u’与能级关系是
分裂后谱线与原谱线频率差 波数差
1.2
定义L 为洛仑兹单位
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。