塞曼效應(yīng)(大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn))課件

1、塞曼效應(yīng)學(xué)號(hào) 姓名塞曼效應(yīng)學(xué)號(hào) 姓名一、背景介紹二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜?、?shí)驗(yàn)原理四、實(shí)驗(yàn)儀器五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟六、注意事項(xiàng)七、思考題一、背景介紹一、背景介紹 1896年開始，塞曼逐步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光源放在足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中時(shí)，所發(fā)出的光譜線分裂成若干條。條數(shù)隨能級(jí)的類別而不同。而分裂后的譜線成份是偏振的。這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。一、背景介紹 1896年開始，塞曼逐步發(fā) 塞曼研究磁場(chǎng)對(duì)光譜的作用，是受著名英國物理學(xué)家法拉第的啟示。塞曼( Pieter Zeeman ) 18651943 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) (1902年) 塞曼研究磁場(chǎng)對(duì)光譜的作用，是受著名英國物理學(xué)家法拉第 1845年法拉第發(fā)現(xiàn)了平面偏振光通過在強(qiáng)磁場(chǎng)

2、作用下的玻璃偏振面會(huì)旋轉(zhuǎn)的事實(shí)。后來又發(fā)現(xiàn)，不只是玻璃，許多物質(zhì)都具有這一特性。法拉第認(rèn)為：“磁力和光彼此是有聯(lián)系的?！?875年，物理學(xué)家John kerr在法拉第思想的激勵(lì)下，注意到玻璃片在強(qiáng)電場(chǎng)下對(duì)光有雙折射作用，次年又發(fā)現(xiàn)平面偏振光經(jīng)電磁鐵的磁極反射后，變成了橢圓偏振光。 1845年法拉第發(fā)現(xiàn)了平面偏振光通過在強(qiáng)磁場(chǎng) 1895年前后，塞曼放下kell效應(yīng)的研究，想試一試磁場(chǎng)對(duì)鈉焰的光譜有沒有影響，卻都沒成功但他堅(jiān)持作了下去。 他根據(jù)法拉第的想法，用羅蘭凹面光柵和強(qiáng)大的電磁鐵，發(fā)現(xiàn)鈉黃線在磁場(chǎng)的作用下變寬，后來又觀察到鎘蘭線在磁場(chǎng)的作用下分裂成兩根與三根；不久洛侖茲根據(jù)經(jīng)典電子論解釋了分

3、裂為三條的正常塞曼效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)引起了很多物理學(xué)家開展廣泛研究，然而，大多數(shù)情況卻與經(jīng)典電子論的理論結(jié)果不符，這叫反常塞曼效應(yīng)。促使1921年朗德提出g因子概念，1925年泡利提出不相容原理，同年烏倫貝克和哥德斯密特提出電子自旋，從而推動(dòng)量子理論的發(fā)展。 塞曼效應(yīng)證實(shí)了原子具有磁距和空間量子化，至今仍是研究能級(jí)結(jié)構(gòu)的重要方法之一。 1895年前后，塞曼放下kell效應(yīng)的研究，想試一試二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察汞的546.074nm譜線在磁場(chǎng)中分裂的情況，加深對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)；2、測(cè)量上述譜線在磁場(chǎng)中分裂的裂距，求出e/m值；3、學(xué)習(xí)法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的原理、調(diào)節(jié)和使用。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察汞的546.

4、074nm譜線在磁場(chǎng)中分裂的三、實(shí)驗(yàn)原理塞曼效應(yīng)是由于電子的軌道磁矩與自旋磁矩共同受外磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生的。電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)會(huì)發(fā)光。一定的光譜線對(duì)應(yīng)于一定的能級(jí)間的躍遷。例如汞的546.074nm譜線是6S7SS到6S6PP2躍遷的結(jié)果。譜線在磁場(chǎng)中分裂這一事實(shí)，反映了能級(jí)在磁場(chǎng)中發(fā)生了分裂，也即原子在磁場(chǎng)中獲得了附加能量。運(yùn)用量子力學(xué)。可以對(duì)塞曼效應(yīng)作出滿意的解釋。三、實(shí)驗(yàn)原理塞曼效應(yīng)是由于電子的軌道磁矩與自旋磁矩共同受外磁1原子的總磁矩原子中的電子在作自旋運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還作軌道運(yùn)動(dòng)。因此它具有自旋角動(dòng)量 和自旋磁矩 ,以及軌道角動(dòng)量 和軌道磁矩 1原子的總磁矩總磁矩 則是 與 的合成。

5、由于 與 的比值不同于 與 的比值,所以 不在總角動(dòng)量 的延長(zhǎng)線上。但是, 和 都是繞著 旋進(jìn)的,因此 、 和 也都是繞著 的延長(zhǎng)線旋進(jìn)的。如果把 分解成方向在 延長(zhǎng)線的分量 和與之垂直的另外一個(gè)分量,則后者在繞 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),對(duì)外的平均效果完全抵消。這樣,對(duì)外發(fā)生效果的只是 。因此,人們就將 稱之為“原子總磁矩”。進(jìn)行矢量迭加運(yùn)算后得：其中的g稱為朗德因子。對(duì)于LS耦合所以只要知道原子態(tài)性質(zhì),就可以算出原子總磁矩;反之,從對(duì)原子磁性的研究,也可以提供有關(guān)原子態(tài)的線索?？偞啪?則是 與 的合成。由于 與 的比值不同于 2 外磁場(chǎng)作用下原子能級(jí)的分裂原子具有總磁矩 ,處在外磁場(chǎng)中就要受到場(chǎng)的作用,其效

6、果是總磁矩繞磁場(chǎng)的方向作旋進(jìn),也就是總角動(dòng)量 繞外磁場(chǎng)方向旋進(jìn)。旋進(jìn)引起的附加能量可以證明是代入 有： 是的補(bǔ)角。 2 外磁場(chǎng)作用下原子能級(jí)的分裂原子具有總磁矩 ,處在外但 與 在磁場(chǎng)中的取向是量子化的， 在磁場(chǎng)方向的分量只能取如下數(shù)值： M是磁量子數(shù)，它只能?。篗=J,J-1,。,-J+1,-J共2J+1個(gè)值。每一個(gè)M值相當(dāng)于 的一個(gè)可能的取向。由以上兩式得： 式中的 稱為玻爾磁子這樣,沒有外磁場(chǎng)時(shí)的一個(gè)能級(jí),在外磁場(chǎng)作用下將分裂成2J+1個(gè)子能級(jí)。每個(gè)子能級(jí)的附加能量由上式?jīng)Q定,它正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度B和朗德因子g。但 與 在磁場(chǎng)中的取向是量子化的， 在磁場(chǎng)方3.能級(jí)分裂下的躍遷 設(shè)某一譜線是由

7、能級(jí)E2和E1間的躍遷產(chǎn)生的,則在該譜線的頻率與能級(jí)差有如下關(guān)系: 在外磁場(chǎng)的作用下,上、下兩能級(jí)分別分裂為2J2+1和2J1+1個(gè)子能級(jí),附加能量分別為E2和E1。則由能級(jí)間的躍遷而產(chǎn)生的新譜線的頻率 滿足。3.能級(jí)分裂下的躍遷 在外磁場(chǎng)的作用下,上、下兩能級(jí)分與無磁場(chǎng)時(shí)的譜線相比，頻率改變?yōu)橛貌〝?shù)（ ）差 來表示，則有其中 稱為洛侖茲單位。若B的單位用T（特斯拉）則L的單位為 /cm與無磁場(chǎng)時(shí)的譜線相比，頻率改變?yōu)橛貌〝?shù)（ 躍遷時(shí)M的選擇定則與譜線的偏振情況如下：選擇定則： (當(dāng)J0時(shí)，M被禁止) ,當(dāng) M =0時(shí)，產(chǎn)生的偏振光為成分。垂直于磁場(chǎng)觀察時(shí)(橫效應(yīng))，線偏振光的振動(dòng)方向平行于磁

8、場(chǎng)。平行于磁場(chǎng)觀察時(shí)，成分不出現(xiàn)。躍遷時(shí)M的選擇定則與譜線的偏振情況如下：選擇定則：當(dāng) M =1時(shí)，產(chǎn)生線。沿垂直于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)(橫效應(yīng))， 線為振動(dòng)方向垂直于磁場(chǎng)的線振動(dòng)光。沿磁場(chǎng)方向觀察時(shí)， 線為圓偏振光。當(dāng) M =1時(shí)，產(chǎn)生線。沿垂直于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)(橫效應(yīng)4.汞的546.074nm譜線的塞曼效應(yīng)汞的546.074nm譜線是 到 躍遷的結(jié)果。上能級(jí)分裂為三個(gè)子能級(jí)，下能級(jí)分裂為五個(gè)能級(jí)，選擇定則允許的躍遷共有九種。因此，原來的 譜線將分裂成九條譜線。分裂后的九條譜線是等距的，間距都為二分之一的洛侖茲單位，九條譜線的光譜范圍為4個(gè)洛侖茲單位。各線段的長(zhǎng)度表示譜線的相對(duì)強(qiáng)度。用上面所述的方

9、法，可以求出它的塞曼分裂。下圖表示在外磁場(chǎng)作用下， 和 能級(jí)的分裂。4.汞的546.074nm譜線的塞曼效應(yīng)汞的546.074n表1 76LSJgMMg0112 1 0 -1 2 0 -21123/2 2 1 0 -1 -2 3 3/2 0 -3/2 -3表2M210-1-2 2 0 -2 3 3/2 0 -3/2 -3 及偏振態(tài) 1/2 0 -1/2 （右邊為成分） -2/2 -3/2 -4/2 4/2 3/2 2/2 表1 76L01表2M210-1-2 在外磁場(chǎng)作用下， 和 能級(jí)的分裂在外磁場(chǎng)作用下， 和 能級(jí)的分裂各光線的偏振態(tài)選擇定則 KB（橫向） KB（縱向）M= 0 線偏振光成分

10、 無光 振動(dòng)方向平行磁場(chǎng)M=1 線偏振光成分 右旋圓偏振光M=1 線偏振光成分 左旋圓偏振光 振動(dòng)方向垂直磁場(chǎng)各光線的偏振態(tài)選擇定則 KB（橫向） 四、實(shí)驗(yàn)儀器法拉第效應(yīng)-塞曼效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀四、實(shí)驗(yàn)儀器法拉第效應(yīng)-塞曼效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀 1、電源 1、電源說明：A、勵(lì)磁電源電壓、電流顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)；B、勵(lì)磁電源電壓或電流顯示（電壓?jiǎn)挝唬悍兀娏鲉挝唬喊才啵?；C、勵(lì)磁電源電流調(diào)節(jié)旋鈕（順時(shí)針增大）；D、磁感應(yīng)強(qiáng)度顯示調(diào)零旋鈕；E、磁感應(yīng)強(qiáng)度顯示（單位：特斯拉）；F、電源開關(guān)（控制勵(lì)磁電源和磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量）；G、勵(lì)磁電源正常工作指示燈；H、勵(lì)磁電源電壓調(diào)節(jié)旋鈕（順時(shí)針增大）；I、勵(lì)磁電源非正常工作指示

11、燈（指示勵(lì)磁電源過熱）；J、磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量校正旋鈕（出廠時(shí)已校正完成，勿輕易調(diào)節(jié)）；K、筆形汞燈電源開關(guān)（“按下去”為“接通電源”,此時(shí)汞燈發(fā)光）。說明：G、勵(lì)磁電源正常工作指示燈；2、汞光譜燈本實(shí)驗(yàn)中用作光源，產(chǎn)生汞的譜線。注意光譜燈同時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)紫外線。應(yīng)避免直接觀測(cè)光源。3、電磁鐵磁場(chǎng)由電磁鐵提供。調(diào)節(jié)激磁電源電流的大小可以獲得不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)。電流值由直流電流表讀出。塞曼效應(yīng)(大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn))課件3、高斯計(jì)系根據(jù)霍爾效應(yīng)設(shè)計(jì)的一種測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的儀器。使用前請(qǐng)仔細(xì)閱讀說明書。特別要保護(hù)探頭，因?yàn)榛魻柶驮谔筋^內(nèi)，極易損壞。4、偏振片偏振片用于檢出一定方向的線偏振光。5、F-P標(biāo)準(zhǔn)具塞曼分裂

12、的波長(zhǎng)差是很小的，這一點(diǎn)可以通過自己估計(jì)其數(shù)量級(jí)來加以理解。因此一般的光譜儀是難以觀察到其分裂現(xiàn)象的。F-P標(biāo)準(zhǔn)具的分辨率很高，而且構(gòu)造簡(jiǎn)單。本實(shí)驗(yàn)用它來觀察和測(cè)量譜線的分裂。3、高斯計(jì)系根據(jù)霍爾效應(yīng)設(shè)計(jì)的一種測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的儀器。使F-P標(biāo)準(zhǔn)具(1)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的原理及性能F-P標(biāo)準(zhǔn)具由兩塊平面平晶及中間的間隔圈組成。平晶內(nèi)表面需經(jīng)過精密加工,精度高于/20。內(nèi)表面鍍有高反射膜,反射率高于90%。間隔距離可通過螺絲調(diào)節(jié)。以保證兩內(nèi)表面嚴(yán)格平行。設(shè)A,B兩平面間的距離為d,空氣折射率n1,則相鄰兩束透射光之間的光程差便是=2dcos，因此，產(chǎn)生干涉極大時(shí)應(yīng)滿足=2dcos=k式中k為整數(shù), 為入

13、射角。F-P標(biāo)準(zhǔn)具F-P標(biāo)準(zhǔn)具由兩塊平面平晶及中間的間隔圈組成。平(2)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具時(shí),主要是要使兩個(gè)內(nèi)表面嚴(yán)格平行。將光源,透鏡和標(biāo)準(zhǔn)具按規(guī)定放好。水平移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)具找到干涉環(huán),使其中心位于反射片的中心。左右移動(dòng)眼睛觀察。如果在移動(dòng)過程中有冒環(huán)或吸環(huán)的現(xiàn)象,則說明兩個(gè)內(nèi)表面水平方向不平行。這時(shí)可以調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具下方的兩個(gè)螺絲。冒環(huán)方向相應(yīng)的間距大,因此應(yīng)將這個(gè)方向的螺絲旋緊,或者把另一方向的螺絲放松。通過調(diào)節(jié),應(yīng)達(dá)到左右移動(dòng)眼睛時(shí),無冒環(huán)或吸環(huán)現(xiàn)象。然后再豎直移動(dòng)眼睛,如果眼睛上移時(shí)出現(xiàn)冒環(huán),可以旋緊上方螺絲或同時(shí)放松下方的兩個(gè)螺絲;反之,可以放松上方螺絲或同時(shí)放松下方的兩個(gè)螺絲。依

14、此,在水平和豎直兩個(gè)方向反復(fù)多次調(diào)節(jié),達(dá)到無論怎樣移動(dòng)眼睛,均不出現(xiàn)冒環(huán)和吸環(huán)現(xiàn)象。這時(shí)用望遠(yuǎn)鏡觀察就可看到細(xì)而銳的干涉環(huán)了。(2)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)量波長(zhǎng)差的公式： 式中D表示圓環(huán)的直徑，f 為透鏡的焦距，d為法-泊板間的距離。由上式可見，公式左邊第二項(xiàng)的負(fù)號(hào)表明直徑愈大的干涉環(huán)紋序愈低。同理，對(duì)于同一級(jí)序的干涉環(huán)直徑大的波長(zhǎng)小。對(duì)于同一波長(zhǎng)相鄰級(jí)項(xiàng)k和k-1圓環(huán)直徑分別為Dk和Dk-1，其直徑平方差用D2表示，可得 D2= D2K-1 D2K= 4f2k由上可知D2是與干涉級(jí)項(xiàng)k無關(guān)的常數(shù)。 標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)量波長(zhǎng)差的公式： 由上可知D2是與干涉級(jí)項(xiàng)k無關(guān)的對(duì)于同一級(jí)項(xiàng)不同波長(zhǎng)、b、c而言

15、，相鄰兩個(gè)環(huán)的波長(zhǎng)差ab的關(guān)系上由式得：ab=a-b= d（D2b- D2a）/ 4f2kbc=b-c= d（ D2c-D2b）/ 4f2k由于F-P標(biāo)準(zhǔn)具中，大多數(shù)情況下，cos =1 K = 2d/于是有：ab=a-b=2 （D2b- D2a） / 2d (D2K-1- D2K ）bc=b-c= 2 （D2b- D2c） / 2d (D2K-1- D2K ）對(duì)于同一級(jí)項(xiàng)不同波長(zhǎng)、b、c而言，相鄰兩個(gè)環(huán)的波長(zhǎng)用波數(shù)表示：用波數(shù)表示：測(cè)量并計(jì)算荷質(zhì)比對(duì)于正常的塞曼效應(yīng),分裂譜線的波數(shù)差為測(cè)量并計(jì)算荷質(zhì)比對(duì)于正常的塞曼效應(yīng),分裂譜線的波數(shù)差為五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、橫向觀察塞曼分裂（1）轉(zhuǎn)動(dòng)電磁鐵

16、，使之橫向放置，調(diào)節(jié)測(cè)量臺(tái)，使筆型汞燈豎直放置在磁隙正中，接通汞燈電源。在光學(xué)導(dǎo)軌上依次安放聚光透鏡、濾光片、法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具、刻度盤、成像透鏡、讀數(shù)顯微鏡，調(diào)節(jié)平行、同軸；五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟（2）通過讀數(shù)顯微鏡目鏡觀察同心環(huán)形干涉條紋，此時(shí)再調(diào)節(jié)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具下的仰角調(diào)節(jié)旋鈕，使干涉環(huán)正好成像在目鏡正中心，再調(diào)節(jié)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具上的三個(gè)壓腳螺絲，使標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)兩鏡面嚴(yán)格平行，此時(shí)干涉圓環(huán)應(yīng)均勻、同心；（3）加上濾光片，關(guān)掉實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的電源（以下實(shí)驗(yàn)在暗室內(nèi)完成，具體細(xì)節(jié)操作可以借助小電筒照明，但通光時(shí)間不易過長(zhǎng)），此時(shí)可以在目鏡視界內(nèi)看到銳細(xì)的汞光譜干涉條紋；塞曼效應(yīng)(大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn))課

17、件（4）打開勵(lì)磁電源，加上磁場(chǎng)，可以看到銳細(xì)干涉圓環(huán)變粗，仔細(xì)調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡位置，并慢慢增加磁場(chǎng)，可以看到干涉圓環(huán)逐漸清晰，仔細(xì)觀察可以看出變粗的條紋是由九條細(xì)線組成； （5）加上偏振片，旋動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕，仔細(xì)觀察干涉圓環(huán)的變化，調(diào)節(jié)至適當(dāng)位置，可以發(fā)現(xiàn)先前的每個(gè)銳細(xì)環(huán)分裂成三個(gè)亮環(huán)，借助小電筒，通過讀數(shù)顯微鏡上的鼓輪測(cè)量圓環(huán)的直徑，求出汞的塞曼分裂波數(shù)值，確定分裂譜線的相應(yīng)能級(jí)的量子數(shù)與因子，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果畫出相應(yīng)的能級(jí)躍遷圖。 （4）打開勵(lì)磁電源，加上磁場(chǎng)，可以看到銳細(xì)干涉圓環(huán)變粗，仔細(xì)2測(cè)定 ，進(jìn)而求出電子的荷質(zhì)比e/m2測(cè)定 ，進(jìn)而求出電子的荷質(zhì)比e/m數(shù)據(jù)處理1、由公式 計(jì)算出同級(jí)的兩個(gè)波

18、數(shù)差，要求測(cè)一個(gè)級(jí)次兩個(gè)波數(shù)差。數(shù)據(jù)處理2、由公式 計(jì)算出電子的荷質(zhì)比，并和理論值比較算出相對(duì)誤差。其中是外加磁場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)給直流電磁鐵加上一定的電流時(shí)，就有一定的磁場(chǎng),實(shí)驗(yàn)可以用毫特斯拉記測(cè)量。2、由公式六、注意事項(xiàng)1. 法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具等光學(xué)元件應(yīng)避免沾染灰塵、污垢和油脂，還應(yīng)該避免在潮濕、過冷、過熱和酸堿性蒸汽環(huán)境中存放和使用；2. 光學(xué)零件的表面上如有灰塵可以用橡皮吹氣球吹去。如表面有污漬可以用脫脂、清潔棉花球蘸酒精、乙醚混合液輕輕擦拭；3. 電磁鐵在完成實(shí)驗(yàn)后應(yīng)及時(shí)切斷電源，以避免長(zhǎng)時(shí)間工作使線圈積聚熱量過多而破壞穩(wěn)定性；4. 汞燈放進(jìn)磁隙中時(shí)，應(yīng)該注意避免燈管接觸磁頭；六、注意事項(xiàng)1. 法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具等光學(xué)元件應(yīng)避免沾染灰塵七、思考題1. 何謂正常塞曼效應(yīng)？何謂反常塞曼效應(yīng)？2實(shí)驗(yàn)光路中各個(gè)光學(xué)器件的作用是什么？3為何只測(cè)量橫效應(yīng)的成份，就能保證e/m的正確測(cè)量？ 4、如何調(diào)節(jié)聚光鏡L1和成像透鏡L2與光源共軸 ？ L1在光具座上的位置對(duì)干涉圓環(huán)的亮度有無影響?如果有影響，那么L1應(yīng)置何處？5、試對(duì)汞綠線(5461A)分裂后的9個(gè)干涉圓環(huán)