塞曼效应实验说明

实验简介:塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。荷兰物理学家塞曼(Zeeman)在1896年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。塞曼效应是法拉第磁致旋光效应之后发现的又一个磁光效应。这个现象的发现是对光的电磁理论的有力支持，证实了原子具有磁距和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解。塞曼效应另一引人注目的发现是由谱线的变化来确定离子的荷质比的大小、符号。根据洛仑兹(H.A.Lorentz)的电子论，测得光谱的波长，谱线的增宽及外加磁场强度，即可称得离子的荷质比。由塞曼效应和洛仑兹的电子论计算得到的这个结果极为重要，因为它发表在J、J汤姆逊(J、JThomson)宣布电子发现之前几个月，J、J汤姆逊正是借助于塞曼效应由洛仑兹理论算得的荷质比，与他自己所测得的阴极射线的荷质比进行比较具有相同的数量级，从而得到确实的证据，证明电子的存在。塞曼效应被誉为继X射线之后物理学最重要的发现之一。1902年，塞曼与洛仑兹因这一发现共同获得了诺贝尔物理学奖（以表彰他们研究磁场对光的效应所作的特殊贡献）。至今，塞曼效应依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，研究塞曼分裂谱的特征，学习应用塞曼效应测量电子的荷质比和研究原子能级结构的方法。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：）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。ΔM=-1时，光子角动量为，与反向电磁波电矢量绕顺时针方向转动，在光学上称为右旋圆偏振光。例：Hg5461Å谱线，{6S7S}3S1→{6S6P}3P2能级跃迁产生实验仪器图1:塞曼效应实验装置图2:F-P标准具标准具由平行放置的两块平面板组成的，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的。实际中两块平板不可能一直绝对平行，所以实验中还需要用3个旋钮来调平。图3:汞灯本实验用汞辉光放电灯，电源用交流220V通过自耦变压器接到霓虹灯变压器上，由霓虹灯变压器点燃就电管。自耦变压器用来调节放电管的电流强度。电磁铁用30V/5A直流稳压电源供电。电流与磁场的关系可用毫特斯拉计进行测量。磁场强度可达1T以上。图4:棱镜摄谱仪头部为暗箱，用来拍摄干涉花纹的谱片。也可以为望远镜，借助它观察干涉花纹。图5:毫特斯拉计图6:滤波片透射干涉滤光片应根据实验中所观察的波长选择，实验中通过滤光片得到Hg-546.1nm的谱线图7:1/4波片给圆偏振光以附加的π/2位相差，使圆偏振光变成线偏振光，波片上箭头指示的方向为慢轴方向，慢轴方向表示位相落后π/2。若把坐标轴取在波片上，y轴方向与波片慢轴重合。对右旋圆偏振光而言（即顺时针旋转的圆偏振光），y方向的位相超前π/2，通过1/4波片后，y轴对x轴的位相差为零。圆偏振光变成线偏振光后，线偏振光的振动方向在坐标系的Ⅰ、Ⅲ象限，相对波片慢轴右旋民45°，用检偏器即可观察到。对左旋圆偏振光而言（逆时针旋转的圆偏振光），相当y轴方向的位相落后π/2，通过1/4波片后，y轴的位相落后π，圆偏振光也变成线偏振光，线偏振光的振动方向在坐标的Ⅱ，Ⅳ象限，相对波片慢轴右旋了45°。图8:[线]偏振片在垂直磁场方向观察时用以鉴别π成分和σ成分；在沿磁场方向观察时与1/4波片一起，用以鉴别左旋或右旋圆偏振光图9:[凸]透镜仪器中有数个透镜，依照功能区分为a)聚焦镜：使通过标准具的光强增加b)成像透镜（组）：使F—P标准具的干涉花样成像在暗箱的焦平面上分裂后，相邻两谱线的波数差实验方法：观察塞曼分裂的方法：塞曼分裂的波长差很小由于以Hg5461Å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。若两平行的镀银平面的间隔不可以改变，则称该仪器为法布里—珀罗干涉仪。标准具在空气中使用时，干涉方程（干涉极大值）为标准具有两个特征参量自由光谱范围和分辨本领。自由光谱范围的物理意义：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+Δλ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N为精细度，两相邻干涉级间能够分辨的最大条纹数R为反射率，R一般在90%（当光近似于正入射时）例如：d=5mm，R=90%，λ=546.1nm时Δλ=0.001nm实验内容1.分析在垂直于磁场与平行于磁场方向观察Hg546.1nm谱线在磁场中的分裂，区分π，σ+，σ-谱线，并确定磁场方向。2.设计方案，选用合适的F—P标准具和改变磁感应强度，验证塞曼分裂的裂距与磁感应强度B的关系。3.设计方案用塞曼分裂的波数差计算电子的荷质比。4.讨论塞曼效应研究原子内部能级结构的方法和应用。实验指导1.讨论（F—P）标准具问题理论上（F—P）标准具两相对反射面距离处处相等，实验中往往不相等。如何判断两反射问题是否处处相等？如果不相等如何判断哪边d大，哪边d小？分析依据当d相等时，同一入射角θ对应同一个K，因此干涉环为同心圆环。当d↑时，K↑，因而出现干涉环吐出，要将对应的d减小。2.实验中垂直于磁场方向观察时要求1.区分塞曼分裂中π偏振成分和σ偏振成分。2.选用合适的标准具，改变励磁电流观察相邻两级σ偏振成分谱线的重叠。用特斯拉计测出磁场，与相应的理论值比较。问题为什么改变磁感应强度B，会看到相邻两级谱线的重叠，且是不同的重叠情况。分析因为改变B可以观察到干涉纹不同的重叠或错级情况：F—P标准具自由光谱范围：，物理意义：若两谱线波长差自由光谱范围（或），则两套干涉环就要产生重叠或错级。当d确定后，是个确定的值。塞曼裂距：所以3.实验中平行于磁场方向观察要求区分σ+振与σ-偏振，并说明各自对应的或的跃迁。用的方法是光学中检验左、右旋偏振光的方法。实验中，常常出现的问题是忽略了磁场方向与观察方向的关系。问题为什么要强调磁场方向与观察方向的关系？，所对应的圆偏振光类型与磁场方向关系。分析按角动量守恒原则，在辐射过程中原子和发射的光子作为整体，总的角动量是守恒的。原子在磁场方向角动量当时，原子在磁场方向角动量减少，因此发射的光子必定在磁场正方向上有角动量。当指向观察者时，电矢量绕逆时针方向转动，在光学上叫做左旋圆偏振光。同样，沿着磁场方向平行于磁场观察时，观察到对应的σ偏振为右旋圆偏振光。同理，时原子在磁场方向角动量增加，因此发射光子必定具有在磁场相反方向上的角动量。即：磁场指向观察者时，这个电磁波电矢量是顺时针方向的，即为右旋圆偏振光。同学们如果对如何鉴别左、右旋圆偏光的原理，方法不清楚可以通过仿真实验学习。实验重点1．掌握塞曼效应的基本原理，塞曼分裂谱线的特征及其鉴别方法。2．掌握应用塞曼分裂方法测量电子荷质比。3．学习应用塞曼效应实验分析原子能级结构的方法。实验难点1．塞曼分裂谱线的实验方法，F-P标准具在塞曼效应实验中的作用及正确调节F-P标准具至最佳工作状态。2．在平行于磁场方向确定同一级干涉纹内、外环各对应△M=+1或△M=-1的跃迁及其圆偏性。3．在垂直于磁场方向，逐渐增大磁感应强度B，观察相邻两级干涉环的错级和重叠现象，并结合F-P标准具自由光谱范围的表达式解释现象，计算电子的荷质比。操作指导一、主窗口在系统主界面上选择“塞曼效应”并单击，即可进入本仿真实验平台，显示主实验台，如图1。图1二、主菜单在主实验台上单击鼠标右键，弹出主菜单（图2、3）：图2图3移动鼠标到所要的实验项目上单击，就会进入相应的实验项目。1．实验简介。选择“实验简介”项，会出现以下文本框（图4），鼠标左键单击“返回”按钮，回到主实验台。图42．实验原理。(1)选择“塞曼效应原理”项，会出现下面的控制台（图5）。鼠标左键单击“滚动条”，文本向上移动。鼠标左键单击“磁场控制”按钮，图形框会出现光谱线分裂情况。鼠标左键单击“返回”按钮，返回主实验台。图5(2)选择“法布里—泊罗标准具原理”项，会出现下面的控制台（图6）。鼠标左键单击“滚动条”，文本向上移动。鼠标左键单击“光路图”按钮，图形框会出现相应的标准具原理图。鼠标左键单击“返回”按钮，返回主实验台。图63．实验内容。分为“垂直磁场方向观察塞曼分裂”和“平行磁场方向观察塞曼分裂”两项。4．退出。退出实验平台，返回系统主界面。三、垂直磁场方向观察塞曼分裂在主菜单的“实验内容”里选择“垂直磁场方向观察塞曼分裂”，进入实验台一（图7）。鼠标在台面上移动时，最下面的信息台会出现提示。图7鼠标右键在台面上单击，会出现下面的选项菜单（图8）：图81．选择“实验步骤”项，会出现下面的文本框（图9）。阅读完后，鼠标左键单击“返回”按钮，回到实验台一。图92．选择“实验光路图”项，出现下面的实验光路图（图10）。鼠标左键单击“返回”按钮，返回实验台一。图103．按照实验光路图，开始安排仪器位置（图11）：图11(1)鼠标左键单击仪器，相应的仪器进入拖动状态，移动鼠标，仪器会随鼠标拖动。在台面上你认为正确的位置上，再次单击鼠标左键，仪器进入放置状态。注意：如果仪器位置不到台面，或者超出台面范围，放置仪器时，仪器会回到初始位置。(2)所有仪器相对位置正确后，鼠标左键单击“电源”按钮，开启水银辉光放电管电源。这时，台面上会出现一条水平的光线。注意：如果仪器的相对位置不正确，开启电源时，会出现错误提示，光线不会出现。(3)光线出现后，开始调节各仪器，使其共轴。鼠标左键单击仪器，相应仪器的高度会降低；鼠标右键单击仪器，相应仪器的高度会上升。注意：标准具的高度不需要调节。(4)当各仪器共轴后，开始调节标准具。鼠标左键双击标准具，标准具进入调整状态，会出现标准具调节控制台（图12）。图12a.鼠标左键单击不同方向的观察按钮，标准具中的分裂环会出