塞曼效应实验讲义
赛曼效应讲解.pptx
Dk, 2
4
f
2
d
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Dk
k 1 k
代入：k 2d /
k,a
k,b
2 (D2 k,a D2 k,b )
2d (D2(k1), D2 k, )
~
1(
D2 k ,b
D2 k ,a
)
2d
D2 (k 1),
D
2 k ,
参考参数：汞 546.1nm
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2. F—P标准具测量测电子荷质比(不做）
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正常赛曼效应的产生是由于原子电子的轨道磁矩与 磁场作用的结果。而反常赛曼效应则是原子的电子总 磁矩（轨道磁矩加自旋磁矩）和磁场相互作用的结果， 在磁场较弱时，原子的轨道磁矩与自旋磁矩首先耦合 后再和外磁场作用，产生所谓的一般的反常塞曼效应； 如果磁场极强时，则原子的轨道磁矩与自旋磁矩分别 和磁场相互作用，从而产生所谓的帕刑－巴克效应。
原子由于磁矩的存在，在磁场中就会受到
磁场的力矩作用，原子的总磁矩在外磁场中 受到的力矩为：
J
M j B
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力矩使原子的总磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量 绕磁场方向旋进,旋进会引起原子能级的附加能量为：
E
j
B
j B cos
g
e 2m
BPj
cos
其中， B eh为/ 4玻 m尔磁子。由于原子总角动量在磁场中
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实验原理及设计
赛曼效应实验是研究原子的光谱在磁场中受磁场影响而变 化的实验。根据原子所处的磁场强度不同谱线分裂的条数 不同，赛曼效应由于历史的习惯可分为正常赛曼效应和反 常赛曼效应。通常一条谱线分裂条数为三条的效应叫正常 赛曼效应(可以用经典理论加以解释)，多于三条的叫反常 赛曼效应（只能用量子理论解释）。反常赛曼效应通常发 生在磁场很弱或者磁场很强的条件下。
塞曼效应讲义(新)综述
塞曼效应塞曼效应实验是物理学史上一个著名的实验，在1896年，塞曼（Zeeman ）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，一条谱线即会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，并得到洛伦兹理论的解释。
1902年塞曼因这一发现与洛伦兹（H.A.Lorentz ）共享诺贝尔物理学奖金。
至今，塞曼效应仍然是研究原子内部能级结构的重要方法。
本实验通过观察并拍摄Hg （546.1nm ）谱线在磁场中的分裂情况，测量其裂距并计算荷质比me 。
实验原理 1．谱线在磁场中的能级分裂对于多电子原子，角动量之间的相互作用有LS 耦合模型和JJ 耦合某型。
对于LS 耦合，电子之间的轨道与轨道角动量的耦合作用及电子间自旋与自旋角动量的耦合作用强，而每个电子的轨道与自旋角动量耦合作用弱。
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hBg M g M v v v B μ)('1122-=-=∆ （3）代入玻尔磁子mehB πμ4=，得到 B meg 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 mceg M g M πσ4)(1122-=∆ （5） 令 mceBL π4=则 L g M g M )(1122-=∆σ （6） L 称为洛伦兹单位，117.46--⋅⨯=T m B L （7）塞曼跃迁的选择定则为：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。
实验-塞曼效应
实验三 塞曼效应实验目的：1．观察汞5461埃光谱线的塞曼效应，并测量它分裂的波长差。
2．测定电子的荷质比e/m 值。
实验原理：当光源置于外磁场中，光源发出的每一条光谱线都将分裂成几条波长相差很小的偏振化分谱线，这一现象称为塞曼效应。
设原子某一能级的能量为E 0，在磁感应强度为B 的外磁场的作用下，原子将获得附加的能量∆E ：∆E=Mg B μ BM 为磁量子。
M=J,J-1,…..,-J,共有(2J+1)个值。
因此，原来的一个能级将分裂成(2J+1)个子能级。
子能级的间隔相等，并正比于B 和朗德因子g ，对于L-S 耦合的情况：g=1+)1(2)1()1()1(++-+++J J L L S S J J式中B μ为玻尔磁子，B μ=mheπ4。
设频率为υ的光谱线是由原子的上能级E 2跃迁到下能级E 1所产生（h υ= E 2- E 1），在外磁场的作用下，上下两能级各获得附加能量∆E 2，∆E 1，因此，每个能级各分裂成（2J 2+1）个和（2J 1+1）个子能级。
这样，上下两个子能级之间的跃迁，将发出频率为υ'的谱线，并有h υ'=（E 2+∆E 2）-（ E 1+∆E 1）= （E 2- E 1）+（∆E2-∆E 1）= h υ+（M 2g 2- M 1g 1）B μ B分裂后的谱线与原谱线的频率差将为∆υ=（M 2g 2- M 1g 1）B μB/hc=（M 2g 2- M 1g 1）L其中L=B μB/hc=4.67*105-B(cm 1-)L 称为洛仑兹单位，正是正常塞曼效应所分裂的裂距。
在能级跃迁时，磁量子数受到选择性定则和偏振定则所限制。
1.选择性定则：∆M =M 2- M 1=0（当∆J=0 M 1=0 M 2=0 被禁止） ∆M=±1说明：1.K 为光传播方向矢量，H 为外磁场方向。
2. π成分表示光波的电矢量E 平行于B ，σ成分表示E 垂直于B.3.在光学中，如果光线对于观察者迎面而来，这时电矢量若按逆时针方向旋转，我们称之为左旋圆偏振光；若逆时针方向旋转，则称之为右旋圆偏振光。
永磁塞曼效应实验讲义
塞曼效应实验一、实验原理1. 掌握观测塞曼效应的方法，加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理学概念的理解。
2. 学习法布里-珀罗标准具的调节方法以及CCD 器件在光谱测量中的应用。
3. 观察汞原子546.1nm 普线的分裂现象及它们偏振状态，由塞曼裂距计算电子荷质比。
二、实验原理1.原子的总磁矩和总角动量的关系严格来说，原子的总磁矩由电子磁矩和核磁矩两部分组成，但由于后者比前者小三个数量级以上，所以暂时只考虑电子的磁矩这一部分。
原子中的电子由于作轨道运动产生轨道磁矩,电子还具有自旋运动产生自旋磁矩,根据量子力学的结果,电子的轨道磁矩L μ和轨道角动量L P 在数值上有如下关系:L L P me2=μ η)1(+=L L P L (1) 自旋磁矩S μ和自旋角动量S P 有如下关系：S S P me=μ η)1(+=S S P S (2) 式中e ,m 分别表示电子电荷和电子质量，L ,S 分别表示轨道量子数和自旋量子数。
轨道角动量和自旋角动量合成原子的总角动量J P ,轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩μ,由于μ绕J P 运动只有μ在J P 方向的投影,J μ对外平均效果不为零，可以得到J μ与J P 数值上的关系为：J J P meg2=μ (3) 其中：)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g （4）g 叫做朗德(Lande)因子,它表征原子的总磁矩与总角动量的关系,而且决定了能级在磁场中分裂的大小。
2．外磁场对原子能级的作用在外磁场中，原子的总磁矩在外磁场中受到力矩L 的作用B L J ⨯=μ (5)式中B 表示磁感应强度,力矩L 使角动量J P 绕磁场方向作进动，进动引起附加的能量E ∆为: αμcos B E J -=∆ (6) 将（3）式代入上式得:βcos 2B P megE J =∆ (7) 由于J μ和J P 在磁场中取向是量子化的,也就是J P 在磁场方向的分量是量子化的。
塞曼效应讲义
塞 曼 效 应1896年荷兰物理学家塞曼（P. Zeeman ）发现当光源放在强磁场中时，原来的一条光谱线分裂成几条光谱线，分裂的谱线成分是偏振的，分裂的条数随能级的类别而不同，这种现象为称为塞曼效应。
塞曼因此在1902年与洛伦兹共享诺贝尔物理学奖。
通常把那些一条谱线分裂为三条，且裂距（相邻两条谱线的波数差）正好等于一个洛伦兹单位的现象叫做正常塞曼效应（洛伦兹单位mc eB L π4/=）。
实际上大多数物质的谱线在磁场中的分裂多于三条，谱线的裂距可以大于也可以小于一个洛伦兹单位，称为反常塞曼效应。
完整解释塞曼效应需要用到量子力学，电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取向是量子化的，磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。
在外磁场中，总自旋为零的原子表现出正常塞曼效应，总自旋不为零的原子表现出反常塞曼效应。
塞曼效应是继“法拉第效应”（1845年）、“克尔效应”（1888年）之后发现的第三个磁光效应，在近代物理学中占有重要地位。
塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径。
【实验目的】 1.观察汞原子546.1nm 谱线的分裂现象以及它们偏振状态，把实验结果与理论结果进行比较。
2. 测量塞曼分裂线（π分量）的波长差，计算电子的荷质比。
3.掌握法布里—珀罗标准具（简称 F —P 标准具）的原理及使用。
【实验原理】一、谱线在磁场中的能级分裂1. 原子中的电子一方面绕核做轨道（用轨道角动量L P 表征），一方面本身做自旋运动（用自旋角动量S P 表征），将分别产生轨道磁矩L μ和自旋磁矩S μ，它们与角动量的关系， 2L L eP mcμ=-)1(+=L L P L S S eP mcμ=-)1(+=S S P S （1） 式中m e ,分别表示电子电荷和电子质量；S L ,分别表示轨道量子数和自旋量子数。
轨道角动量和自旋角动量合成总角动量J P 并分别绕J P 旋进，轨道磁矩和自旋磁矩合成的磁矩μ,μ在J P 延长线上的分量J μ才是一个定向恒量。
实验报告塞曼效应
一、实验目的1. 观察塞曼效应，了解其在原子物理中的重要性。
2. 通过实验，加深对原子磁矩和能级结构的理解。
3. 掌握光栅摄谱仪的使用方法，以及如何通过摄谱法观测谱线的分裂情况。
二、实验原理塞曼效应是指在外加磁场的作用下，原子发射或吸收的光谱线发生分裂的现象。
根据能级分裂的条数和偏振状态，可以推断出原子的能级结构。
当原子置于外磁场中时，其总磁矩与外磁场相互作用，使得原子能级发生分裂。
分裂的条数与能级的类别有关，分裂的能级间隔与外磁场的强度成正比。
实验中，我们采用光栅摄谱仪观测汞原子（546.1nm）谱线的分裂情况，并通过计算能级间隔，验证塞曼效应的存在。
三、实验仪器与设备1. 光栅摄谱仪2. 阿贝比长仪3. 汞灯4. 电磁铁装置5. 聚光透镜6. 偏振片7. 546nm滤光片8. Fabry-Perot标准具9. 成像物镜与测微目镜组合而成的测量望远镜四、实验步骤1. 将汞灯安装在电磁铁装置上，调节磁场强度，使磁场平行于汞灯发出的光束。
2. 使用聚光透镜将汞灯发出的光变为平行光束，通过偏振片过滤掉未偏振的光。
3. 将平行光束照射到Fabry-Perot标准具上，使其发生多光束干涉，形成干涉条纹。
4. 通过调节标准具间距，使干涉条纹清晰可见。
5. 将光栅摄谱仪放置在测量望远镜的物镜前方，调节望远镜的位置，使光谱线聚焦在光栅上。
6. 观察并记录汞原子（546.1nm）谱线的分裂情况，包括分裂的条数和偏振状态。
7. 通过计算能级间隔，验证塞曼效应的存在。
五、实验结果与分析1. 实验观察到了汞原子（546.1nm）谱线的分裂现象，分裂的条数为3条，符合塞曼效应的理论预测。
2. 通过计算能级间隔，验证了塞曼效应的存在。
计算结果与理论值基本吻合。
六、实验总结通过本次实验，我们成功地观察到了塞曼效应，并验证了其理论预测。
实验过程中，我们掌握了光栅摄谱仪的使用方法，以及如何通过摄谱法观测谱线的分裂情况。
此外，我们还加深了对原子磁矩和能级结构的理解。
大学物理实验讲义
实验01 塞曼效应实验在物理学的发展过程中，人类为光本性的探讨经过了相当曲折的过程。
1845 年，法拉第发现光的振动面在磁场中发生旋转，揭示了光学现象与磁学现象之间存在联系，启发人类不能孤立地研究光，必须将光学现象和其它物理现象联系起来考虑。
1860 年，麦克斯韦的理论研究指出光的电磁本质，1892 年赫兹的实验证实了光是电磁波。
1896年塞曼（zeeman）在强磁场和精密的光谱仪器，使原子光谱分裂成数条完全偏振的光谱现象，此现象被称为塞曼效应，洛仑兹电子论对其的解释，使洛仑兹的“电子论取得了它最伟大的胜利”（劳厄）。
塞曼效应在对光本性认识中的作用被认为是继X光(1895)之后物理学最重要的发现之一。
1902 年塞曼因这一成就与洛仑兹共获诺贝尔物理奖。
塞曼效应是研究原子结构和能级参数的重要手段，也是激光技术、测量技术中的重要手段。
∆≤0.14cm-1），故采用法布里-玻罗标由于塞曼效应分裂谱线的间距极小（波数间距γ~∆值。
准具来分析谱线的精细结构，并用照相或摄谱装置记录测量塞曼分裂线的波数间距γ~【实验目的】1、观察汞546.1 nm 光谱线的塞曼效应；2、了解用法布里-波罗干涉仪测量波长差值的方法；3、测量汞546.1 nm 塞曼分裂光谱线的波长差，并且测定e /m的值。
【仪器用具】由笔形汞灯、汞灯支架、汞灯电源、可移动永久磁铁、聚光透镜、可切换滤光片盘、偏振片、FP标准具、成像透镜、观测目镜、测微千分表、CCD摄像头等部件组成三、实验原理1896年，塞曼（P. Zeeman）发现把光源放置于足够强的磁场中时，磁场作用于光体，使其光谱发生变化，可把每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。
塞曼效应实验证实了原子具有磁矩和空间取向量子化，这一现象得到洛仑兹理论的解释。
1902年塞曼因这一发现与洛仑兹共享诺贝尔物理学奖。
1、原子的磁矩原子由原子核和电子组成，电子绕原子核具有轨道运动和自旋运动，相应的轨道角动量、轨道磁矩、自旋角动量及自旋磁矩可表示为：μL = eP L / 2m (1)P L = [ L (L+1)]1/2 h / 2π(2)μS = eP S / m (3)P S = [ S ( S +1)] h / 2π(4)式中L为轨道量子数，S 为自旋量子数，e为电子电荷，m为电子质量，h为普朗克常数。
塞曼效应讲义
7塞曼效应实验一、实验目的1.学习观测塞曼效应的实验方法；2.学习光路的调节和F-P 标准具的使用；3.观察原子在磁场中能级的分裂和测量电子荷质比e/m 。
二、实验仪器1．实验装置图一是塞曼效应实验装置简化图，整个装置放在1.2m 的光具座上。
分项说明如下：图一 塞曼效应实验装置图N 和S 为电磁铁，220V 交流电通过自耦变压器接硒整流器，其直流输出供给电磁铁作励磁电流，自耦变压器调节和控制励磁电流的大小。
O 为水银辉光放电管，本实验用作光源。
通过另一自耦变压器将电压升至10000V 左右点燃放电管。
L 1为聚光镜，使通过标准具的光增强。
P 为偏振片，在垂直于磁场方向观察时用以鉴别π成分和σ成分。
F 为干涉滤色片。
作用是只允许谱线546.1nm 通过，滤掉Hg 原子发出的其他谱线。
F-P 为法布里-珀罗标准具。
本实验中的标准具的间距为2.000mm 。
M 为读数显微镜。
调焦于干涉花样后即可对干涉条纹进行观测。
T 为摄像头。
与微机相连，可拍摄读数显微镜内的干涉条纹，并通过微机进行数据处理。
2．F-P 标准具的原理及性能参数F-P 标准具由两块平行玻璃板和夹在中间的一个间隔圈组成。
平板玻璃内表面必须是平整的，其加工精度要求优于1/20中心波长。
内表面上渡有高反射膜，膜的反射率高于90%。
间隔圈用膨胀系数很小的熔融石英材料制作，精加工成有一定厚度，用来保证两块平面玻璃之间有很高的平行度和稳定的间距。
标准具的光路图如图二所示，当单色平行光S O 以某一小角度入射到标准具的M 平面上8时，光束在M 和M ’二表面上经过多次反射和透射，分别形成一系列相互平行的反射射和透射，分别形成一系列相互平行的反射光束1，2，3，…及透射光束1’2’3’…， 任何相邻光束间的光程差 Δδ为θδcos 2nd =∆ (3.1)式中d 为F-P 标准具的间距，θ为光束折射 角，n 为两平面玻璃板间介质的折射率，在 空气中时可取n = 1 。
塞曼效应讲义
塞 曼 效 应1896年荷兰物理学家塞曼（P. Zeeman ）发现当光源放在强磁场中时，原来的一条光谱线分裂成几条光谱线，分裂的谱线成分是偏振的，分裂的条数随能级的类别而不同，这种现象为称为塞曼效应。
塞曼因此在1902年与洛伦兹共享诺贝尔物理学奖。
通常把那些一条谱线分裂为三条，且裂距（相邻两条谱线的波数差）正好等于一个洛伦兹单位的现象叫做正常塞曼效应（洛伦兹单位mc eB L π4/=）。
实际上大多数物质的谱线在磁场中的分裂多于三条，谱线的裂距可以大于也可以小于一个洛伦兹单位，称为反常塞曼效应。
完整解释塞曼效应需要用到量子力学，电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取向是量子化的，磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。
在外磁场中，总自旋为零的原子表现出正常塞曼效应，总自旋不为零的原子表现出反常塞曼效应。
塞曼效应是继“法拉第效应”（1845年）、“克尔效应”（1888年）之后发现的第三个磁光效应，在近代物理学中占有重要地位。
塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径。
【实验目的】 1.观察汞原子546.1nm 谱线的分裂现象以及它们偏振状态，把实验结果与理论结果进行比较。
2. 测量塞曼分裂线（π分量）的波长差，计算电子的荷质比。
3.掌握法布里—珀罗标准具（简称 F —P 标准具）的原理及使用。
【实验原理】一、谱线在磁场中的能级分裂1. 原子中的电子一方面绕核做轨道（用轨道角动量L P v表征），一方面本身做自旋运动（用自旋角动量S P v 表征），将分别产生轨道磁矩L μv 和自旋磁矩S μv ，它们与角动量的关系，2L L e P mcμ=-vvη)1(+=L L P L S S e P mcμ=-vvη)1(+=S S P S （1） 式中m e ,分别表示电子电荷和电子质量；S L ,分别表示轨道量子数和自旋量子数。
轨道角动量和自旋角动量合成总角动量J P v并分别绕J P v旋进，轨道磁矩和自旋磁矩合成的磁矩μv ,μv 在J P v延长线上的分量J μ才是一个定向恒量。
塞曼效应讲义
2. 观察塞曼分裂的方法： 塞曼分裂的波长差很小,以 Hg 5461 Å 谱线为例当处于 B=1T 的磁场中
要观察如此小的波长差，用一般的棱镜摄谱仪是不可能的，需要用高分辨率 的仪器，如法布里—珀罗标准器（F—P 标准具）。 F—P 标准具由平行放置的两块平面玻璃或石英板组成的，在两板相对的平 面上镀薄银膜和其他有较高反射系数的薄膜。 两平行的镀银平面的间隔是由某些 热膨胀系数很小的材料做成的环固定起来。玻璃板上带有三个螺丝，可以精确调 节两玻璃板内表面之间的平行度。 标准具的光路图如下所示。 从扩展光源 S 上发出的单色光。设到标准具板的平行 平面上，经 M 1 和 M 2 表面的多次反射和透射，分别形成一系列相互平行的反射 光束 1,2,3,4.....和透射光束 1’,2’,3’,4’......在透射的光束中，相邻的 光程差是：
图 2. Hg(546.1nm)谱线在磁场中的分裂 当外磁场比原子内部磁场强得多时（原子内部磁场的数量级为几十特斯拉） ， 原子轨道磁矩和自旋磁矩分别与磁场的相互作用能明显地超过了轨道──自旋 相互作用能，可认为轨道一自旋耦合破坏， （即 LS 耦合破坏） 。与前面类似的讨 论可知，在强磁场下，原子受磁场作用的附加能量为
或者定义为标准具的自由光谱范围，表明在给定间隔圈原度为 d 的标 准具中，若入射光的波长在λ ～λ +Δ λ 间（或波数在 间）所产生的 干涉圆环不重叠， 若被研究的谱线波长差大于自由光谱范围，两套花纹之间就要 发生重叠或错级，给分析带来困难，因此在使用标准具时，应根据被研究对象的 光谱波长范围来确定间隔圈的厚度。 分辨本领（ ）：) 对于 F—P 标准具
图 1. 原子的总磁矩受磁场作用发生进动
磁矩
在外磁场中的磁能：
由于
《实验塞曼效应》PPT课件
c、在标准具后安置透镜和目镜，调节两者的相对位置以看清 各干涉环。为保证视场足够明亮，整个光学系统应共轴。调节目 镜位置使目镜叉丝大体与干涉环直径重合。
精选ppt
h E E E E E E E E , (2 2 ) (1 1 ) (21 ) ( 2 1 ) h, h ( M2 g2 M1 g1 ) BB
谱线的频率变化为
精选ppt
, (M2 g2M2g2)4emeB
6
相应的波数差为
1 ， 1 c( M2 g2M1 g1 ) c L
式中L为
在空气中n=1，则有 2 dco is
其中，d是标准具间隔，i是投射到标准具的光的入射角。当光 程差等于波长的数倍时，形成干涉亮环，即对于k级干涉环，满 足
k2 dco is
精选ppt
12
i
d
f
由上图可得
cois
f f2 (D2)2
18Df22
则有
精选ppt
2d(1 8Df22) k
13
显然，对某一波长的光，干涉级k与干涉环直径平方成线性关 系。对某一对同一波长光产生的相邻两级k和k-1线，有
由于标准具的自由光谱区很小，通常要先用常规光谱仪 分出一条条光谱线后，再用标准具进一步分光。
精选ppt
11
由于低压水银灯光源的谱线间隔很大，利用滤光片即可分 离出546.1nm谱线，故本实验采用干涉滤光片和法布里-珀罗标 准具完成分光任务。
在法布里-珀罗标准具的透射光中，相邻两光束的光程差为
2 nd co is
根据选择定则：
塞曼效应实验讲义
塞曼效应讲义教学方式及时间安排讲解与实际操作，讲解35-45分钟，操作指导20分钟，学生动手操作120分钟,共200分钟,4个学时。
一、实验的目的：1.过观查塞曼效应现象，了解塞曼效应是由于电子的轨道磁矩与自旋磁矩共同受到外磁场作用而产生的。
证实了原子具有磁矩和空间取向量子化的现象，进一步认识原子的内部结构。
并把实验结果和理论进行比较。
2.掌握法布里—珀罗标准具的原理和使用，了解使用CCD 及多媒体计算机进行实验图象测量的方法。
19世纪伟大的物理学家法拉第研究电磁场对光的影响，发现了磁场能改变偏振光的偏振方向。
1896年荷兰物理学家塞曼（Pieter Zeeman ）根据法拉第的想法，探测磁场对谱线的影响，发现钠双线在磁场中的分裂。
洛仑兹跟据经典电子论解释了分裂为三条的正常塞曼效应。
由于研究这个效应，塞曼和洛仑兹共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。
他们这一重要研究成就，有力的支持了光的电磁理论，使我们对物质的光谱、原子和分子的结构有了更多的了解。
至今塞曼效应仍是研究能级结构的重要方法之一。
一、塞曼效应的原理当发光的光源置于足够强的外磁场中时，由于磁场的作用，使每条光谱线分裂成波长很靠近的几条偏振化的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同，这种现象称为塞曼效应。
正常塞曼效应谱线分裂为三条，而且两边的两条与中间的频率差正好等于eB/4πmc ，可用经典理论给予很好的解释。
但实际上大多数谱线的分裂多于三条，谱线的裂矩是eB/4πmc 的简单分数倍，称反常塞曼效应，它不能用经典理论解释，只有量子理论才能得到满意的解释。
1．原子的总磁矩与总动量距的关系塞曼效应的产生是由于原子的总磁矩（轨道磁矩和自旋磁矩）受外磁场作用的结果。
在忽略核磁矩的情况下，原子中电子的轨道磁矩μL 和自旋磁矩μS 合成原子的总磁矩μ，与电子的轨道角动量P L ，自旋角动量P S 合成总角动量P J 之间的关系，可用矢量图1来计算。
塞曼效应
一．实验目的1.观察塞曼效应仪，理解理论学习内容。
2.掌握测量波长差的原理。
3.测量荷质比。
二．实验原理一、塞曼分裂谱线与原谱线关系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：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M只能取J，J-1，J-2 …… -J（共2J+1）个值，即ΔE有(2J+1)个可能值。
无外磁场时的一个能级，在外磁场作用下将分裂成（2J+1）个能级，其分裂的能级是等间隔的，且能级间隔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为方便起见，常表示为波数差定义为洛仑兹单位：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：U ）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：⊙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。
3-5塞曼效应
eB 4 me c
六、参考文献
1、褚圣麟，原子物理学，人民教育出版社，1979 2、母国光，战元龄，光学，人民教育出版社，1978
cos i
f f2( D 2 ) 2
D2 1 8f2
三、实验原理
对同一级，不同波长λa、λb，其波数差为
ab
1 Db 2 Da 2 a b ( ) 2d Dk 12 Dk 2
四、实验装置
五、实验内容
（一）调整光路，观察塞曼现象 1、点亮汞灯，把透镜置于光源和标准具之间适当位置，让光充满标准具，用眼睛直接观察到标准具视场中 布满一系列干涉条纹（绿色）。 2、调节标准具，直到眼睛上下左右移动都没有明显缩冒现象为止。 3、在标准具后安装透镜和目镜，调节两者的相对位置以看清各干涉环。 4、开启稳压电源，调节电流为一定值，取相邻两级次的π成分进行测量。
实验3-5 塞曼效应
OUTLINE
一、背景知识 二、实验目的 三、实验原理 四、实验装置 五、实验内容 六、参考文献
一、实验背景
塞曼效应是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的。电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取 向是量子化的，磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。
实验研究汞546.1nm的塞曼分裂。汞绿线是的跃迁结果。 跃迁选择定则ΔM=0,ΔM=±1
三、实验原理
1、ΔM=0时，产生3条π线。沿垂直磁场方向观测，π线为振动方向平行于磁场的线偏振光；沿磁场方向观
测不到π线。
2、 ΔM=±1时，产生6条σ线。沿垂直磁场方向观测，σ线为振动方向垂直于磁场的线偏振光；沿磁场方向
西安交大《塞曼效应实验报告》重点讲义资料
应物31 吕博成学号：2120903010塞曼效应1896年，荷兰物理学家塞曼（P.Zeeman ）在实验中发现，当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线会分裂成几条光谱线，分裂的条数随能级类别的不同而不同，且分裂的谱线是偏振光。
这种效应被称为塞曼效应。
需要首先指出的是，由于实验先后以及实验条件的缘故，我们把分裂成三条谱线，裂距按波数计算正好等于一个洛伦兹单位的现象叫做正常塞曼效应（洛伦兹单位mc eB L π4=）。
而实际上大多数谱线的塞曼分裂谱线多于三条，谱线的裂距可以大于也可以小于一个洛伦兹单位，人们称这类现象为反常塞曼效应。
反常塞曼效应是电子自旋假设的有力证据之一。
通过进一步研究塞曼效应，我们可以从中得到有关能级分裂的数据，如通过能级分裂的条数可以知道能级的J 值；通过能级的裂距可以知道g 因子。
塞曼效应至今仍然是研究原子能级结构的重要方法之一，通过它可以精确测定电子的荷质比。
一．实验目的1.学习观察塞曼效应的方法观察汞灯发出谱线的塞曼分裂；2.观察分裂谱线的偏振情况以及裂距与磁场强度的关系；3.利用塞曼分裂的裂距，计算电子的荷质比e m e 数值。
二．实验原理1、谱线在磁场中的能级分裂设原子在无外磁场时的某个能级的能量为0E ，相应的总角动量量子数、轨道量子数、自旋量子数分别为S L J 、、。
当原子处于磁感应强度为B 的外磁场中时，这一原子能级将分裂为12+J 层。
各层能量为B Mg E E B μ+=0 （1）其中M 为磁量子数，它的取值为J ，1-J ，...，J -共12+J 个；g 为朗德因子；B μ为玻尔磁矩（mhcB πμ4=）；B 为磁感应强度。
对于S L -耦合）（）（）（）（121111++++-++=J J S S L L J J g （2）假设在无外磁场时，光源某条光谱线的波数为）（010201~E E hc-=γ （3）式中 h 为普朗克常数；c 为光速。
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塞曼效应讲义教学方式及时间安排讲解与实际操作，讲解35-45分钟，操作指导20分钟，学生动手操作120分钟,共200分钟,4个学时。
一、实验的目的：1.过观查塞曼效应现象，了解塞曼效应是由于电子的轨道磁矩与自旋磁矩共同受到外磁场作用而产生的。
证实了原子具有磁矩和空间取向量子化的现象，进一步认识原子的内部结构。
并把实验结果和理论进行比较。
2.掌握法布里—珀罗标准具的原理和使用，了解使用CCD 及多媒体计算机进行实验图象测量的方法。
19世纪伟大的物理学家法拉第研究电磁场对光的影响，发现了磁场能改变偏振光的偏振方向。
1896年荷兰物理学家塞曼（Pieter Zeeman ）根据法拉第的想法，探测磁场对谱线的影响，发现钠双线在磁场中的分裂。
洛仑兹跟据经典电子论解释了分裂为三条的正常塞曼效应。
由于研究这个效应，塞曼和洛仑兹共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。
他们这一重要研究成就，有力的支持了光的电磁理论，使我们对物质的光谱、原子和分子的结构有了更多的了解。
至今塞曼效应仍是研究能级结构的重要方法之一。
一、塞曼效应的原理当发光的光源置于足够强的外磁场中时，由于磁场的作用，使每条光谱线分裂成波长很靠近的几条偏振化的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同，这种现象称为塞曼效应。
正常塞曼效应谱线分裂为三条，而且两边的两条与中间的频率差正好等于eB/4πmc ，可用经典理论给予很好的解释。
但实际上大多数谱线的分裂多于三条，谱线的裂矩是eB/4πmc 的简单分数倍，称反常塞曼效应，它不能用经典理论解释，只有量子理论才能得到满意的解释。
1．原子的总磁矩与总动量距的关系塞曼效应的产生是由于原子的总磁矩（轨道磁矩和自旋磁矩）受外磁场作用的结果。
在忽略核磁矩的情况下，原子中电子的轨道磁矩μL 和自旋磁矩μS 合成原子的总磁矩μ，与电子的轨道角动量P L ，自旋角动量P S 合成总角动量P J 之间的关系，可用矢量图1来计算。
已知：μL =（e /2m ）P L P L =π2h )1(+L L （1） μS =（e/m ）p s P S =π2h )1(+S S （2） 式中L, S 分别表示轨道量子数和自旋量子数，e, m 分别为电子的电荷和质量。
由于μL 和P L 的比值不同于μS 和P S 的比值，因此，原子的总磁矩μ不在总角动量P J 的延长线上，因此μ绕P J 的延线旋进。
μ只在P J 方向上分量μJ 对外的平均效果不为零，在进行矢量迭加运算后，得到有效μJ 为：J μ=g me 2P J （3） 其中g 为朗德因子，对于LS 耦合情况下 g=1+)1(2)1()1()1(++++-+J J S S L L J J （4）图1 角动量和磁矩矢量图 图2角动量旋进如果知道原子态的性质，它的磁矩就可以通过（3）.(4)式计算出来。
2．在外磁场作用下原子能级的分裂。
当原子放在外磁场中时，原子的总磁矩J μ将绕外磁场B 的方向作旋进，使原子获得了附加的能量。
∆E = μJ ·B cos （P J · B ）= －J μ·B cos α = g m e 2P JB cos β （5） 由于J μ或P J 在外磁场中取向是量子化的，则P J 在外磁场方向的分量P J cos β 也是量子化的。
它只能取如下数值。
P J cos β = M π2h（ 6 ）M 称为磁量子数，只能取M = J ，（J-1），……，—J 。
（７）共（2J+1）个值。
把（6）式代入（5）式：∆E = Mg mhe π4Ｂ （8） 说明在稳定磁场作用下，由原来的只有一个能级，分裂成（2J+1）个能级，每个能级的附加量由（8）式计算，它正比于外磁场强度B 和朗德因子g 。
3.能级分裂下的跃迁设某一光谱线是由能级E 2和E 1之间的跃迁而产生的，则其谱线的频率υ同能级有如下关系：h υ= E 2- E 1在外磁场作用下，上下两能级分裂为（2J 1+1）个和（2J 2+1）个子能级，附加能量分别为∆E 1、∆E 2 ，从上能级各子能级到下能级各子能级的跃迁产生的光谱线频率υ＇,应满足下式:h υ＇=(E 2+∆E 2)—(E 1+∆E 1)=( E 2- E 1)+( ∆E 2--∆E 1)== h υ+ (M 2g 2—M 1g 1)meh π4 B (9) 即: υˊ—υ=(M 2g 2—M 1g 1)m e π4B 换以波数差来表示 (ν=cυ) ∆ν=νˊ-ν= (M 2g 2—M 1g 1)mc e π4Ｂ = (M 2g 2—M 1g 1)· L （１０）其中L=mc eB π4称为洛仑兹单位。
L=0.467B, Ｂ的单位用T （特斯拉），L 的1-cm 也正是正常塞曼效应中谱线分裂的裂距。
M 的选择定则与偏振定则如下：∆M = 0 ± 1当∆M = 0 时的跃迁，产生 π 成分。
∆M = ±1 时的跃迁，产生σ 成分。
当g 1=g 2 =1时,从式（4）可知，总自旋量子数S 为0，J=L 。
这意味着原子总磁矩唯一由电子轨道磁矩决定，这时原子磁矩与磁场相互作用能量为 ΔE=M mce π4Ｂ 塞曼能级跃迁谱线的频率为υ = υ0 ± υL （当M L = ±1时）υ = υL （当M L = 0时）式中υ0=（E 2-E 1）/ h ,为拉莫尔旋进频率。
υL = eB/4πm跃迁谱线对称分布在υ0两侧，期间距等于υL 。
即没有外加磁场时的一条谱线，在磁场作用下分裂成频率为υ0和υ0±υL 三条谱线，这就是正常塞曼效应。
由此可见，原子内纯电子轨道运动的塞曼效应，为正常塞曼效应。
三、实验装置根据（10）式可知：正常塞曼效应所分裂的裂距为一个洛仑兹单位，即Δν=mc e π4 B ，我们将波数差ΔV 换成波长差Δλ时，则Δλ= λ2Δν=λ 2 mceB π4 （11） 设λ=500nm ，磁场强度B=1特斯拉 ，则Δλ=0.1 Å，由此可知，塞曼效应分裂的波长差的数值是很小的，欲观察如此小的波长差，普通棱镜摄谱仪是不能胜任的必须使用高分辨本领的光谱仪器。
我们所使用的是法步里泊罗标准具和测量望远镜、联合装置来进行观察和测量。
1．F ——P 标准具：（1）．F —P 标准具的结构为：两块平面玻璃板，板面的平整要求在1/20至1/100波长，为了消除背面的反射所产生的干涉与正面所产生的干涉重叠，每块都不是严格的平行平面玻璃板，板的两个面成一很小的夹角，通常是20′～30′，平板的表面涂以多层介质薄膜，以提高反射率。
两块板的中间放一玻璃环，其厚度为 d ，装于固定的载架中。
该装置为多光束干涉的应用，其干涉条纹为一组明暗相间，条纹清晰，细锐的同心圆环，其经典用处是作为高分辨本领的光谱仪器。
F —P 标准具的光路图见图4所示当单色平行光束S 。
以小角度θ 入射到标准具的M 平面时，入射光束S 。
经过M 表面及M’表面多次反射和透射，形成一系列相互平行的反射光束这些相邻光束之间有一定的光程差 ∆ ,而且有∆ = 2 n d cos θd 为平板之间的间距，n 为两平板之间介质的折射率（标准具在空气中使用，n = 1 ），θ为光束入射角，这一系列互相平行并有一定光程差的光在无穷远处或用透镜汇聚在透镜的焦平面上发生干涉，光程差为波长整数倍时产生干涉极大值。
2 d cos θ = N λN 为整数，称为干涉序。
由于标准具的间距是固定的，在波长不变的条件下，不同的干涉序N 对应不同的入射角θ。
在F —P 标准具产生等倾干涉，故它的干涉条纹是一组同心圆环。
图4 标准具光路由于标准具是多光束干涉，干涉花纹的宽度是非常细锐的，花纹越细锐表示仪器的分辨能力越高。
（2）.标准具测量波长差的公式：2d （1- 228fD ）= k λ （12） 式中D 表示圆环的直径，f 为透镜的焦距，d 为法—白板间的距离。
由上式可见，公式左边第二项的负号表明直径愈大的干涉环纹序愈低。
同理，对于同一级序的干涉环直径大的波长小。
对于同一波长相邻级项k 和k —1圆环直径分别为D k 和D k —1，其直径平方差用ΔD 2表示，由（12）式可得ΔD 2 = D 2 k —1— D 2k = 4λf 2/d （13）由上式知，ΔD 2是与干涉级项k 无关的常数。
对于同一级项不同波长a λ、λb 、、、、λc 而言，相邻两个环的波长差Δλab 的关系由（13）式得：Δλab =λa -λb = d （D 2b — D 2a ）/ 4f 2KΔλbc=λb-λc= d（D2c—D2b）/ 4f2K（13）式代入上式而得D2b—D2aΔλab=λa-λb=λ(D2b—D2a) / k (D2k—1—D2k )（14）Δλbc=λb-λc=λ(D2c—D2b) / k( D k—1—D2k) （15）本实验对应圆环直径见图六。
由于F——P标准具中，大多数情况下，cosφ=1∴ K = 2d/λ于是有：Δλab=λa-λb=λ2（D2b- D2a）/ 2d (D2k-1-D2k) （16）Δλbc=λb-λc=λ2（D2b -D2c）/ 2d (D2k-1- D2k )（17）用波数表示：ΔV ab= V a-V b =(D2b-D2a) / 2d (D2K-1-D2K) =ΔD2ab/(2dΔD2 ) （18）ΔV bc=V b-V c=(D2c-D2b) / 2d (D2K-1-D2K) =ΔD2ab/(2dΔD2 )（19）由上式可知，波长差或波数差与相应干涉圆环的直径平方差成正比。
2 、实验系统装置研究塞曼效应的实验装置如图5所示。
在本实验中，光源用水银放电管，由专用电源点燃；N、S为电磁铁的磁极,电磁铁用支流稳压电源供电；L1为会聚透镜，使通过标准具的光强增强；A、B为F—P标准具；P为偏振片，在垂直磁场方向观察时用以鉴别π成分和σ成分；k为1/4波片，在沿磁场方向观察时用以鉴别左圆偏振和右圆偏振光；后部分是测量望远镜、CCD图象采集处理部分。
微摄像系统的核心器件是电荷耦合器件，简称 CCD （Charge Coupled Device ）。
自1970年发明以来，由于应用广泛，发展极为迅速。
作为对光敏感的图象传感器，CCD 具有光电转换、电荷存储和电荷传输的功能。
由面阵CCD制成的摄像头，可把经镜头聚焦到CCD 表面的光学图像扫描变换为相应的电信号，经编码后输出PAL或其他制式的彩色全电视视频信号，此视频信号可由监视器或多媒体计算机接受并播放。
图5 实验装置示意图多媒体计算机加装视频多媒体主件，工作于Windows操作环境。
视频多媒体主件的核心是多媒体采集卡，可将输入的PAL或NTSC制视频信号解码并转换为数字信息，此信息可用于在计算机显示器上同步显示所输入的电视图象，并可做进一步的分析处理。