塞曼效应

塞曼效应

塞曼效应实验室物理学史上一个著名的实验，早在1896年，塞曼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，使其光谱发生变化，一条谱线分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。塞曼效应的实验证实了原子具有磁矩和空间取向的量子化，并得到罗仑兹理论的解释。1902年，塞曼因为这一发现与罗仑兹共享诺贝尔物理学奖。至今，塞曼效应仍然是研究原子内部能级结构的重要方法。

【实验目的】

1.掌握塞曼效应理论，测量电子的荷质比。

2.学习光路的调节和掌握法布里-珀罗标准具的原理及使用。

3. 了解CCD器件的原理和应用。

【实验器材】

F-P标准具，CCD，电脑，电磁铁，电源，透镜，偏振片，滤波片，低压汞灯，导轨等

【实验原理】

在外磁场作用下，光源所

发射的一条光谱线被分裂成

多条光谱线的现象称为塞曼

（Zeeman）效应。塞曼效应

证实原子具有磁矩，而且其空

间取向是量子化的。在磁场

中，原子磁矩受到磁场作用，图1

使原子在原来能级上获得一附加能量。由于原子磁矩在磁场中的不同取向而获得的不同附加能量，使得原来一个能级裂成为能量不同的几个子能级。在原子发光过程中，原来两能级之间跃迁产生的一条光谱线，由于上、下能级分裂成几个能级。因此，由光源发出的一条光谱线也会分裂成若干成份。

根据理论推导，在磁场中原子附加的能量△E的表达式如下：

由汞光源发出的546.1nm光谱线在外磁场作用下产生了跃迁，如图1，而原子发光必须遵从△M=0或±1的选择定则（△M表示光谱线由于能级跃迁而产生的磁量子数的差值），而且选择定则与光的偏振有关，光的偏振状态又与观察角度有关。垂直于磁场时为线偏振光，而平行于磁场时则是圆偏振光。因此，当我们分别从垂直于磁场方向（横向）和平行于磁场方向（纵向）观察时，所得结果如表1中所列。

表1

由图1中我们可看到，由于选择定则的限制，只允许9种跃迁存在，从横向角度观察，原546.1nm光谱线将分裂成9条彼此靠近的光谱线，如图2所示，其中包括3条π分量线（中心3条）和6条σ分量线。这些条纹互相迭合而使观察困难。由于这两种成份偏振光的偏振方向是正交的，因此我们可利用偏振片将σ分量的6条条纹滤去，只让π分量条纹留下来，如图3所示。相邻谱线之间的间距非常小, 为了能准确地分析谱线的精细结构,需要一个高分辨的光谱仪,本仪器采用法布里—珀罗标准具。

图2 图3

WPZ—Ⅲ型塞曼效应仪采用2mm间隔的法布里—珀罗标准具，并用干涉滤光片把笔型汞灯中的546.1nm光谱线选出，在磁场中进行分裂，然后用CCD摄像装置记录，并将图像传送到计算机中，用智能软件进行处理，整套仪器组成如图4所示。

【实验的内容、步骤】

1．按图4将仪器安置在实验桌上。

2．将笔形汞灯插入两线圈中间的灯架中。其接线分别接入电磁铁前的接线柱上。3．将CCD的输出视频电缆接入电脑主机视频输入端。

4．分别将电源插头插入电源插座（CCD电源通过变压器接入DC 12V）。

5．打开开关，点亮汞灯，调整透镜座、干涉滤光片座和F-P标准具座，使它们与光源同轴，让光线能完全进入CCD。

6．打开电脑电源，运行“塞曼效应智能分析软件”，并单击“预览”按钮，仔细调节透镜、干涉滤光片、F-P标准具相互间的位置直至在屏幕中能看到清晰的圆环。

7．打开磁场开关，逐渐加大电流至能看到分裂的九条谱线。

8．旋转偏振片，将分别看到π分量的3条谱线和σ分量的6条谱线。

9．利用智能分析软件可对谱线进行分析，详见“塞曼效应智能分析软件使用说明书”。

10. 电磁铁架在电源上方；松开锁紧螺丝可使电磁铁旋转90°，抽出电磁铁中间插芯，可作纵向塞曼实验。此时在电磁铁插芯孔前加上λ/4玻片，使圆偏振光变成线偏振光、旋转偏振片45°，使分裂的两条谱线，其中一条消失，再反方向

旋转偏振片，消失的一条谱线重现，而另一条谱线消失了得以证明分裂的两条谱线是左、右旋圆偏振光。

【注意事项】

1.各光学器件的光轴必须保持一致。调节时，第一，要使各器件的轴心等高，第二，注意各器件之间要保持平行，第三，注意对光具座的调节，不要让各器件的横向位置相互错开；

2. 实验成功的关键是F-P标准具的镜片必须严格平行。

粗调：通过标准具观察汞灯照明可见一组同心圆环。观察者的眼睛向着微调螺丝的方向移动时，圆环也可能会移动，这说明标准具的镜片还未严格平行。应仔细调整三颗微调螺丝，直至眼睛移动时圆环不动。

精调：在实验时仍需进一步地调整微调螺丝,直至在显示器上观察时,图象最清晰止。

3. 磁场电流的增加要缓慢，尽量在电流表蓝区内工作，在黄区内工作时要控制实验时间，以免电磁铁过热发烫。

4. 成像透镜的位置要恰当，要缓慢地调节透镜直至采集到的曲线幅值最大、细节最清晰为止；如果曲线的幅度较小，可以考虑如下两种方法：一是将CCD采集盒的积分时间DIP作适当的调整，一是将软件的增益加大，有时也可以考虑减小FP标准具与CCD成像透镜的距离；如果采集到的曲线为幅度很高的一条直线，这是环境光过强所致，请减弱环境光；

【思考题】

1.如何鉴别F-P标准具的两反射面是否严格平行，如发现不平行，应如何调节？

2.F-P标准具产生的干涉图是多光束干涉的结果，它与牛顿环、迈克耳孙干涉

仪的双光束干涉图有何区别？

3.偏振片如何判断偏振光π成分和σ成分？