1、仿真實驗報告 大學物理仿真實驗報告塞曼效應 一、實驗簡介 塞曼效應就是物理學史上一個著名得實驗。荷蘭物理學家塞曼(eema)在 1896 年發現把產生光譜得光源置于足夠強得磁場中,磁場作用于發光體，使光譜發生變化,一條譜線即會分裂成幾條偏振化得譜線,這種現象稱為塞曼效應。 塞曼效應就是法拉第磁致旋光效應之后發現得又一個磁光效應。這個現象得發現就是對光得電磁理論得有力支持，證實了原子具有磁矩與空間取向量子化，使人們對物質光譜、原子、分子有更多了解. 塞曼效應另一引人注目得發現就是由譜線得變化來確定離子得荷質比得大小、符號。根據洛侖茲（、lrnt)得電子論,測得光譜得波長，譜線得增寬及外加磁場強度

2、，即可稱得離子得荷質比由塞曼效應與洛侖茲得電子論計算得到得這個結果極為重要，因為它發表在、j 湯姆遜(j、j thomn）宣布電子發現之前幾個月，、j 湯姆遜正就是借助于塞曼效應由洛侖茲得理論算得得荷質比，與她自己所測得得陰極射線得荷質比進行比較具有相同得數量級,從而得到確實得證據,證明電子得存在。 塞曼效應被譽為繼 x 射線之后物理學最重要得發現之一。 1902 年,塞曼與洛侖茲因這一發現共同獲得了諾貝爾物理學獎(以表彰她們研究磁場對光得效應所作得特殊貢獻）.至今,塞曼效應依然就是研究原子內部能級結構得重要方法。 本實驗通過觀察并拍攝g(56、1nm)譜線在磁場中得分裂情況,研究塞曼分裂譜得

3、特征，學習應用塞曼效應測量電子得荷質比與研究原子能級結構得方法。 二、 實驗目得 1、學習觀察塞曼效應得方法觀察汞燈發出譜線得塞曼分裂； 2、觀察分裂譜線得偏振情況以及裂距與磁場強度得關系; 3、利用塞曼分裂得裂距，計算電子得荷質比數值。 三、 實驗原理 1、譜線在磁場中得能級分裂 設原子在無外磁場時得某個能級得能量為,相應得總角動量量子數、軌道量子數、自旋量子數分別為。當原子處于磁感應強度為得外磁場中時,這一原子能級將分裂為層。各層能量為 (1) 其中為磁量子數,它得取值為，、,共個；為朗德因子；為玻爾磁矩()；為磁感應強度。 對于耦合 （2) 假設在無外磁場時,光源某條光譜線得波數為 (3

4、） 式中 為普朗克常數；為光速。 而當光源處于外磁場中時,這條光譜線就會分裂成為若干條分線，每條分線波數為別為 hc b g m g m e ehcbm g g g g g ） （ ） （1 1 2 2 0 1 2 0 01 - + = d - d + = d + = 所以，分裂后譜線與原譜線得頻率差(波數形式)為 （4) 式中腳標 1、2 分別表示原子躍遷后與躍遷前所處在得能級,為洛倫茲單位(),外磁場得單 位為(特斯拉)，波數得單位為 。 得選擇定則就是：時為 成分，就是振動方向平行于磁場得線偏振光,只能在垂直于磁場得方向上才能觀察到,在平行于磁場方向上觀察不到,但當時，得躍遷被禁止;時,

5、為成分，垂直于磁場觀察時為振動垂直于磁場得線偏振光,沿磁場正方向觀察時,為右旋偏振光, 為左旋偏振光. 若躍遷前后能級得自旋量子數都等于零,塞曼分裂發上在單重態間，此時,無磁場時得一條譜線在磁場作用下分裂成三條譜線,其中對應得仍然就是態,對應得就是態,分裂后得譜線與原譜線得波數差.這種效應叫做正常塞曼效應。 下面以汞得譜線為例來說明譜線得分裂情況.汞得波長得譜線就是汞原子從到能級躍遷時產生得,其上下能級得有關量子數值與能級分裂圖形如表 11 所示。 表 11 原子態符號 0 1 1 2 1、0、1 、0、2 1 2 3/2 2、1、1、 3、3/、0、3/2、3 可見,得一條譜線在磁場中分裂成

6、了九條譜線，當垂直于磁場方向觀察時，.三條譜線為成分，兩邊各三條譜線為成分;沿磁場方向觀察時,成分不出現,對應得六條線分別為右旋與左旋偏振光。 2、法布里珀羅標準具 塞曼分裂得波長差很小，波長與波數得關系為,若波長得譜線在得磁場中，分裂譜線得波長差約只有。因此必須使用高分辨率得儀器來觀察。本實驗采用法布里珀羅（)標準具。 標準具就是由平行放置得兩塊平面玻璃或石英玻璃板組成，在兩板相對得平面上鍍有高反射率得薄銀膜，為了消除兩平板背面反射光得干涉,每塊板都作成楔形。由于兩鍍膜面平行,若使用擴展光源，則產生等傾干涉條紋。具有相同入射角得光線在垂直于觀察方向得平面上得軌跡就是一組同心圓.若在光路上放置

7、透鏡，則在透鏡焦平面上得到一組同心圓環圖樣 在透射光束中,相鄰光束得光程差為 (5） 取 （6） 產生亮條紋得條件為 （7） 式中為干涉級次；為入射光波長. 我們需要了解標準具得兩個特征參量就是 1、 自由光譜范圍(標準具參數） 或同一光源發出得具有微小波長差得單色光與 (），入射后將形成各自得圓環系列。對同一干涉級,波長大得干涉環直徑小，所示。如果與得波長差逐漸加大，使得得第級亮環與得第()級亮環重合,則有 （) 得出 （9) 由于大多數情況下,()式變為 并帶入（）式,得到 (10） 它表明在中,當給定兩平面間隔后,入射光波長在間所產生得干涉圓環不發生重 疊. 2、 分辨本領 定義為光譜儀

8、得分辨本領,對于標準具,它得分辨本領為 (11) 為干涉級次,為精細度,它得物理意義就是在相鄰兩個干涉級之間能分辨得最大條紋數。依賴于平板內表面反射膜得反射率。 （1） 反射率越高，精細度就越高，儀器能分辨開得條紋數就越多。 利用標準具，通過測量干涉環得直徑就可以測量各分裂譜線得波長或波長差。參見圖,出射角為得圓環直徑與透鏡焦距間得關系為 ,對于近中心得圓環很小，可以認為，于就是有 (13) 代入到(7）式中，得 (14） 由上式可推出同一波長相鄰兩級與級圓環直徑得平方差為 (15) 可以瞧出,就是與干涉級次無關得常數. 設波長與得第級干涉圓環直徑分別為與,由(4)式與(15）式得 得出 波長

9、差 (16) 波數差 (7) 3、 用塞曼效應計算電子荷質比 對于正常塞曼效應,分裂得波數差為 代入測量波數差公式(17)，得 （8) 若已知與,從塞曼分裂中測量出各環直徑,就可以計算出電子荷質比。 四、實 驗內容 通過觀察綠線在外磁場中得分裂情況并測量電子荷質比。 1、 在顯示器上調整并觀察光路。 實驗裝置圖 標準具光路圖 (1)、在垂直于磁場方向觀察與紀錄譜線得分裂情況,用偏振片區分成分與成分,改變勵磁電流大小觀察譜線分裂得變化,同時觀察干涉圓環中成分得重疊. （2)、在平行于磁場方向觀察與紀錄譜線得分裂情況及變化。 (3）、利用計算機測量與計算電子得荷質比,打印結果。 五、實驗結果 經過

10、測量可得 =5、m 166、0mm dk=16、0mm d=25、 15、0mm dk-1=2、5m 帶入上述公式可得電子得荷質比 取二者平均值得 實驗誤差 e=(1、72、64)/、=、7% 六、 誤差分析 1. 測量磁場時霍爾元件可能未與磁場完全垂直而導致測量得磁場偏小而導致結果偏大. 2. 未能給出法珀腔介質折射率而就是使用 n=1 代替而導致結果偏大。 3. 在圖上找圓心時不夠準確而導致誤差. 4. 汞燈放置位置不一定就是垂直得，因此光線方向分量有誤差。 七、 思考題 1、如何鑒別 f-p 標準具得兩反射面就是否嚴格平行？如發現不平行應該如何調節?例如,觀察到干涉紋從中心冒出來，應如何

11、調節? 答:實驗時當眼睛上下左史移動時候,圓環無吞吐現象時說明 f標準具得兩反射面基本平行了.當發現不平衡時,利用標準具上得三個旋鈕來調節水平。如果當眼睛向某方向移動，觀察到干涉紋從中心冒出來時，由干涉公式可得該處得等傾干涉條紋所對應得厚度較大。此時應調節旋扭減小厚度;相反若干涉條紋有吞吐現象則條紋得級數在減小，那么該處得等傾條紋對應得厚度較小,此時應調節旋扭增加厚度。最后直至干涉條紋穩定,無吞吐現象發生. 2、 已知標準具間隔圈厚度 d=m，該標準具得自由光譜范圍就是多大?根據標準具自由光譜范圍及 546、nm 譜線在磁場中得分裂情況，對磁感應強度有何要求?若 b=0、2t, 分裂譜線中哪幾條將會發生重疊？ 標準具厚度 d=5m 自由光譜范圍 ,所用得 hg 燈=546、1n ， 故 1、065、故磁感應強度應大于 0、72t,若=0、62t,中間得三條譜線將發生重疊. 3、沿磁場方向觀察，