塞曼效应实验报告完整版

学生姓名： 学号： 39 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

-==--L （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

学生姓名： 刘惠文 学号： 39 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩： 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 。

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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 '2

2

122112k 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、实验内容

1. 调节F-P 标准具。

2. 调整光路。

3. 观察观察汞绿线 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=）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。

南昌大学物理实验报告

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