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）

71.8250 71.8345 71.8182 71.8320 71.82742 79.9100

79.9168

79.9200

79.9200 79.91670 无磁场时Hg 待测谱线

76.8258 76.83040 76.8278 76.8330 76.82920 Hg 在磁场中的分裂待测谱线

（从左至右）

76.6073 76.6260 76.6010 76.6208 76.61378 76.6775

76.6730 76.6771 76.6890 76.67915 76.7822 76.7830 76.7760 76.7770 76.77955 76.8971 76.9104 76.8792 76.9080 76.89868 77.0180 77.0065 77.0080 77.0080 77.01012 77.0572

77.0630

77.0551

77.0655

77.06020

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插法计算各谱线的波长

计算各谱线运用插法，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，1

x 、

2

x 和x 分别表示波长为

1

λ、

2

λ和

x

λ的谱线的位置。计算结果见表

谱线

谱线位置

()mm

波长实验测得值

()A

备注

Fe 标准谱线（左

右两条）

71.82742 4367.5811 已知

79.91670

4352.7371

表格 2用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：

4358.79804 1.5L L

L L

L

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。