塞曼效应参考版

塞曼效应

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实验日期：2010/10/18 指导老师：***

【摘要】本实验采用光栅摄谱仪摄谱的方法，观察了汞原子光谱在磁场中分裂情况和分

裂后各分支谱线的偏振特性，测量了各分支谱分裂前后的波长差，与理论值做比较，从而验证了塞曼效应。

【关键词】塞曼效应选择定则洛伦兹常量光栅摄谱仪

1.引言

1896年，荷兰物理学家塞曼（Peter Zeeman）发现，当把光源放在足够强的磁场内时，光源发出的光谱线变宽了。再仔细观察后才发现，每一条谱线分裂成几条谱线，而不是任何谱线的变宽，分裂的条数随能级的类别而不同。这种现象被称为塞曼效应。

塞曼效应一被发现，洛伦兹即根据“电子论”的半经典理论对此进行了解释，他认为这是由于原子内带电粒子在外磁场中受磁场力的作用，使粒子的振荡频率发生变化。这种变化取决于相对磁场的取向，而使辐射谱线分裂成三条线(横向塞曼效应)或二条线(纵向塞曼效应)。洛伦兹的这种理论很好的解释了这种后来被称为“正常塞曼效应”的现象。因此两人在1902年获得了诺贝尔物理学奖。

随着对塞曼效应更进一步研究，1898年普列斯顿提出谱线还可为4重分裂和6重分裂这样反常塞曼效应，洛伦兹的半经典理论此时无法完全解释这些分裂了。以后，很多物理学家纷纷试图创立新的理论来解释这个问题。直到1916年索未非与德拜应用玻尔的量子理论对正常的塞曼效应作出了解释。1921年，朗德在他的《论反常塞曼效应》一文中，首次引人了著名的朗德g因子，用于表示原子总磁矩与原子总角动量的比值，来反映原子能级在磁场作用下的能量改变。1925年乌伦贝克和古兹米特提出了电子自旋的概念，说明了在外磁场作用下，电子自旋同轨道运动相互作用引起旋进运动，产生附加能量，使谱线分裂，而反常塞曼效应则恰是从实验上证实了电子自旋的存在。至此，塞曼效应才有了一个完满的理论解释。1926年，海森堡和约旦引进电子自旋S，从量子力学的角度对反常塞曼效应作出了正确的定量计算。

本实验采用光栅摄谱仪的方法来研究塞曼效应。

2.实验原理

2.1塞曼效应

原子的总磁矩与总角动量J的关系为，其中g为朗德因子，e为电子

电量，m为电子质量。

具有磁矩为的体系，在外磁场B中具有势能

其中m为磁量子数，为玻尔磁子，g为朗德因子，且

（1）考虑一个原子在两个能级和间跃迁，在有外磁场时

原子能级产生磁分裂后，各磁能级之间的跃迁要遵守下列选择定则：

ΔJ=0,±1（J=0→J=0禁戒），

ΔΜ=0，±1（ΔJ=0时，Μ=0→Μ=0禁戒）

ΔΜ=0时，辐射的光称为 线，在垂直磁场方向上，可观察到电矢量平行于磁场方向的线偏振光；在平行于磁场方向上，则观察不到谱线。

ΔΜ=＋1时辐射的光称为 ＋线；ΔΜ=－1时辐射的光称为 －线。在垂直于磁场方向上观察到的都是电矢量垂直于磁场的线偏振光；在平行于磁场方向上观察到的都是圆偏振光。

1)正常塞曼效应

当体系自旋为零时，，

依照电偶极跃迁的选择定则得，，只有三条谱线：

这表明，一条谱线在外磁场作用下一分为三，彼此间隔相等，且间隔值为；这个结果与实际观察到的某些光谱现象完全符合，因此被人们称为正常塞曼效应。

2)反常塞曼效应

当体系自旋不为零时，

（2）式中称为洛伦兹单位。分裂谱线相对应的波数为：

（3）式中

2.2Hg 435.8nm谱线的塞曼效应

图1 Hg 435.8nm谱线的塞曼分裂示意图

以Hg 435.8nm谱线的跃迁为例，跃迁对应的能级组态为

上能级的三个量子数为;

下能级的三个量子数为；

由公式（3）可得到各分支谱线与无磁场时跃迁谱线的波数差，通常用洛伦兹单位表示为（，，），或简写成：，，其中括号表示π分支，其他为分支。

3.实验装置

本实验采用摄谱的方法观测汞原子光谱在磁场中的分裂情况。图2为摄取塞曼效应光谱的光路示意图。

一个洛伦兹单位所对应的波长差为

因此，拍摄光谱时需要色散大的摄谱仪。此外，应使电磁铁产生足够强的磁感应强度，以加大塞曼分裂。

本实验选用两米光栅摄谱仪的二级光谱，电磁铁产生的磁感应强度为2.2T.

4.实验内容

（1）调整外光路，使得汞放电管发出的光辐射经过透镜L

1和反射镜B

S

在摄

谱仪入射狭缝上成像。

（2）分别拍摄无磁场和家撒谎呢个磁场后汞放电管的光谱，以记录谱线在磁场中的分裂情况。加磁场后，在入射狭缝前放置偏振片拍摄一组，取掉偏振片在拍摄一组，记录谱线的偏振特性。拍摄铁光谱作为测量用的标准谱，拍摄时要用滤光片消除干扰谱线。

（3）将拍摄好的底片，在暗室中进行冲洗。在暗室中将底片取出显影7分钟，然后用清水洗涤20秒，然后定影20分钟左右。观察底片上拍摄谱线的结果。

（4）用阿贝比长仪测量分支谱线的波长。

5.实验结果分析与讨论

1)实验条件

光缝宽度0.005mm

磁场强度2.2T

图2 实验装置示意图

2)摄谱计划

表1 摄谱计划

3)实验记录

（1）Fe谱435.850nm与435.271nm谱线

（2）Hg435.8nm谱线分裂情况

A.分裂前

B.分裂后

1 2 3 4 5 6

图3 Hg 435.8nm谱线分裂情况

表3 Hg 435.8nm 谱线塞曼分裂各分支谱线读数

（3）Hg 435.8nm谱线偏振特性

A．平行于磁场方向

B．垂直于磁场方向

图4 Hg 435.8nm偏振特性

4)实验结果与分析

表4 Hg 435.8塞曼分裂理论值与测量值比较

与理论值比较误差较大，误差主要可能来源于：

（1）光路调节没有完全准直，使光不是垂直照射到光栅，降低了光栅的分辨率。