塞曼效应 实验报告

姓名：aTiaoE-mail：[e-mail]2塞曼效应实验报告【实验目的】1.掌握塞曼效应理论，学习观察塞曼效应的方法；确定能级的量子数与朗德因子g，绘出跃迁的能级图；2.利用法布里-珀罗标准具观察汞灯谱线（绿色，波长为546.1nm）在磁场中的塞曼分裂现象，测量谱线的分裂波数差。3.熟练掌握光路的调节。4.了解线阵CCD器件的原理和应用。【实验原理】根据原子理论，原子中的电子既作轨道运动又作自旋运动。原子的总轨道磁矩μL与总轨道角动量pL的关系为：2LLepm其中(1)LpLL原子的总自旋磁矩μS与总自旋角动量PS的关系为：SSepm其中(1)SpSS上式中：m为电子质量，L为轨道角动量量子数，S为自旋量子数，ћ为普朗克常数除以2π。而对于原子的总磁矩μJ，其大小由下式确定：2JJegpm其中2JJegpm其中，J为总角动量量子数，g为朗德因子。本次实验研究的汞原子的角动量耦合方式主要是LS耦合，存在)1(2)1()1()1(1JJSSLLJJg原子在磁场中的附加能量ΔE为：cos2cosBpmegBEJJ其中，β为pJ与B的夹角。角动量在磁场中取向是量子化的，即：姓名：aTiaoE-mail：[e-mail]3JJJMMpJ,...,1,,cos其中，M为磁量子数。因此，BmeMgE2可见，附加能量不仅与外磁场B有关系，还与朗德因子g有关。磁量子数M共有2J+1个值，因此原子在外磁场中，原来的一个能级将分裂成2J+1个子能级。未加磁场时，能级E2和E1之间的跃迁产生的光谱线频率ν为：21EEh外加磁场时，分裂后的谱线频率ν’为：hEEEE)()(1122分裂后的谱线与原来谱线的频率差Δν’为：212211()/()4eBEEhMgMgmc能级之间的跃迁必须满足选择定则0,1(00)JJJ禁戒，M01J，（=0时，M=0M=0禁戒）。当ΔM=0时，产生π线，沿垂直于磁场方向观察时，π线为光振动方向平行于磁场的线偏振光，沿平行于磁场方向观察时，光强度为零，观察不到。当ΔM=±1时，产生σ线，迎着磁场方向观察时，σ线为圆偏振光，ΔM=+1时为左旋圆偏振光，ΔM=-1时为右旋圆偏振光。沿垂直于磁场方向观察时，σ线为线偏振光，其电矢量与磁场垂直。【实验仪器用具】1.低温恒温器实验用的恒温器如图所示，均温块1是一块经过加工的紫铜块，利用其良好的导热性能来取得较好的温度均匀区，使固定在均温块上的样品和温度计的温度趋于一致。铜套2的作用是使样品与外部环境隔离，减小样品温度波动。提拉杆3采用低热导的不锈钢管以减少对均温块的漏热，经过定标的铜电阻温度计4及加热器5与均温块之间既保持良好的热接触又保持可靠的电绝缘。超导样品6的安装是很重要的，前面已提及，样品要薄而平坦，用导电银浆粘接在均温块上；引线直径宜小，且与均温块保持良好的热接触及电绝缘。另外，样品电极的制作要可靠，以免经受低温冲击时引线脱落。铜电阻温度计的引线亦使用四引线法，以避免引线对测量的影响。测试用的液氮杜瓦瓶宜采用漏热小，损耗率低的产品，其温度梯度场的稳定性较好，有利于样品温度的稳定。为便于样品在液氮容器内的上下移动，附设相应的提拉装置。姓名：aTiaoE-mail：[e-mail]4低温恒温器2.测量仪器它由安装了样品的低温恒温器，测温、控温仪器，数据采集、传输和处理系统以及电脑组成，既可进行动态法实时测量，也可进行稳态法测量。动态法测量时可分别进行不同电流方向的升温和降温测量，以观察和检测因样品和温度计之间的动态温差造成的测量误差以及样品及测量回路热电势给测量带来的影响。动态测量数据经测量仪器处理后直接进入电脑X-Y记录仪显示、处理或打印输出，稳态法测量结果经由键盘输入计算机作出R-T特性供分析处理或打印输出。【实验内容、实验数据以及处理】Pi光：2211m0.552gmg误差为10.382%11/1.94210em误差为10.340%Si光：CD光：2211m1.072gmg误差为7.205%11/1.88610em误差为7.164%BE光：2211m1.628gmg误差为8.549%11/1.91010em误差为8.507%AF光：2211m2.148gmg误差为7.398%11/1.88910em误差为10.357%实验数据记录和实验图像参见下页图姓名：aTiaoE-mail：[e-mail]5【实验中出现的问题以及思考题解答】1.仪器调节实验要求各个光学器件的光轴必须保持一致，即调整仪器轴心等高、器件轴向一致、横向位置在一条直线上。成像透镜的位置要恰当，要通过对透镜的调节使得采集到的曲线幅值最大、细节最清晰；如果采集到的曲线是幅度很高的一条直线，应采取遮光来减弱环境光的影响。实验中，不能触碰滤色片镀膜，以防止镀膜表面发花变质将使得到的采样曲线有些缭乱（比如有太多的细小波峰）。2.误差分析实验结果得出数据与理论值有较大误差，原因大致是：汞灯放置不一定垂直，所以光线方向分量有误差；电脑画圆的时候不够精确，存在误差。3.谱线分析谱线的裂距与所加的磁场强度有关，磁场强度越大，裂距越大；谱线的偏振状态与跃迁的磁量子数之差m有关，塞曼跃迁的选择定则为0,1m。当m=0，为成分，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，平行于磁场的方向观察不到；当1m，为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，1m为右旋圆偏振光，1m为左旋圆偏振光。