塞曼效应 (7)

0506 PB05210489 熊力

塞曼效应

一．实验原理

原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩。总磁矩在磁场中受到力矩的作用而绕磁场方向旋进，可以证明旋进所引起的附加能量为

B Mg E B μ=∆ （1）

其中M 为磁量子数，μB 为玻尔磁子，B 为磁感应强度，g 是朗德因子。朗德因子g 表征原子的总磁矩和总角动量的关系，定义为

)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g （2）

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。磁量子数M 只能取J ，J-1，

J-2，…，-J ，共（2J+1）个值，也即E ∆有（2J+1）个可能值。这就是说，无磁场时的一个能级，在外磁场的作用下将分裂成（2J+1）个能级。由式（1）还可以看到，分裂的能级是等间隔的，且能级间隔正比于外磁场B 以及朗德因子g 。

能级E 1和E 2之间的跃迁产生频率为v 的光，

12E E hv -=

在磁场中，若上、下能级都发生分裂，新谱线的频率v ’与能级的关系为

B g M g M hv E E E E E E E E hv B μ)()()()()('112212121122-+=∆-∆+-=∆+-∆+=

分裂后谱线与原谱线的频率差为

h B

g M g M v v v B μ)('1122-=-=∆

（3） 代入玻尔磁子m eh

B πμ4=，得到 B m e

g M g M v π4)(1122-=∆

（4） 等式两边同除以c ，可将式（4）表示为波数差的形式

B mc e

g M g M πσ4)(1122-=∆ （

5）

令 mc eB L π4=

则 L g M g M )(1122-=∆σ

（6） L 称为洛伦兹单位，

117.46--⋅⨯=T m B L

二．实验报告。

1．观察垂直于磁场方向观察的塞曼分裂

实验现象：在不同的角度观察谱线的分裂数目分别为3，6，9。一条谱线在磁场中分裂成9条线，垂直于磁场观察，中间三条谱线为π成分，两边各三条谱线为σ成分；

2．平行于磁场方向观察塞曼分裂

实验现象：沿磁场方向观察σ线，观察到在正负45度方向上均有3个环，在+45度上是外环，-45度方向上是内环，在垂直方向上又6条谱线。

三．思考题

1．如何鉴别F-P标准具的两反射面是否严格平行，如发现不平行应该如何调节？例如，当眼睛向某方向移动，观察到干涉纹从中心冒出来，应如何调节？

答：实验装置图为：

相位差，使圆偏振光变成线偏振光。波片上箭头指示的方向其中K为1/4波片，给圆偏振光以附加的

2

为慢轴方向，K与P配合用以鉴别圆偏振光的旋向。L3、L4分别为望远镜的物镜和目镜，用作观察干涉环纹。

当两个镀膜面完全平行。此时用眼睛直接观察F-P标准具，当眼睛上、下、左、右移动时，圆环中心没

有吞吐现象。

2．

沿着磁场方向观察，1+=∆M 和1-=∆M 的跃迁各产生哪种圆偏振光？试用实验现象说明之。

答：根据塞曼跃迁的选择定则：0=∆M ，为π成为，是振动方向平行于磁场的线偏振光，只在垂直于磁场的方向上才能观察到，平行于磁场的方向上观察不到，但当0=∆J 时，02=M 到01=M 的跃迁被禁止；1±=∆M ，为σ成分，垂直于磁场观察时为振动垂直于磁场的线偏振光，沿磁场正向观察时，1+=∆M 为右旋圆偏振光，1-=∆M 为左旋圆偏振光。 1+=∆M 为右旋圆偏振光，1-=∆M 为左旋圆偏振光。在实验中能明显的看到它们分别对应的左右旋圆偏振光。