1、WORD格式課程：專業班號：姓名：學號：同組者：塞曼效應一、實驗目的1、學習觀察塞曼效應的方法觀察汞燈發出譜線的塞曼分裂；2、觀察分裂譜線的偏振情況以及裂距與磁場強度的關系；3、 利用塞曼分裂的裂距，計算電子的荷質比e me 數值。二、實驗原理1、譜線在磁場中的能級分裂設原子在無外磁場時的某個能級的能量為E0 ，相應的總角動量量子數、軌道量子數、自旋量子數分別為J、 L、 S 。當原子處于磁感應強度為B 的外磁場中時，這一原子能級將分裂為 2J 1層。各層能量為EE0MgB B（ 1）其中 M 為磁量子數，它的取值為J ， J1， .，J共 2J1 個； g 為朗德因子；B 為玻爾磁矩（Bhc

2、）； B 為磁感應強度。4 m對于 LS 耦合（J）L（L）（）J11SS 1（ 2）g 12J（J）1假設在無外磁場時，光源某條光譜線的波數為1（ 3）0（ E02 E01）hcc 為光速。式中 h 為普朗克常數；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1E2E1）00（0 （ M 2 g 2 M 1 g1） B B hchc0 （ M 2 g2M 1 g1） L所以，分裂后譜線與原譜線的頻率差（波數形式）為 0 （ M 2 g2M 1 g1） L （ M 2 g2M 1 g1） Be（4）4 mcL 為洛倫茲單位式中腳標1 、 2 分別表示原子躍遷后和躍

3、遷前所處在的能級，（ L46.7 B ），外磁場的單位為TL的單位為米1特斯拉1。M2、M1（特斯拉），波數的選擇定則是：M0 時為成分，是振動方向平行于磁場的線偏振光，只能在垂直于專業資料整理1磁場的方向上才能觀察到，在平行于磁場方向上觀察不到，但當 J0 時 ，M 2 0，到 M 1 0的躍遷被禁止； M1時，為成分，垂直于磁場觀察時為振動垂直于磁場的線偏振光，沿磁場正方向觀察時，M1為右旋偏振光，M1為左旋偏振光。若躍遷前后能級的自旋量子數S 都等于零，塞曼分裂發上在單重態間，此時，無磁場時的一條譜線在磁場作用下分裂成三條譜線，其中M1對應的仍然是態，M 0對應的是態，分裂后的譜線與原譜

4、線的波數差LeB。這種效應叫做正常塞曼4 mc效應。2. 法布里珀羅標準具塞曼分裂的波長差很小，波長和波數的關系為2，若波長510 7 m 的譜線在 B1T 的磁場中，分裂譜線的波長差約只有10 11 m 。因此必須使用高分辨率的儀器來觀察。本實驗采用法布里珀羅（FP ）標準具。F P 標準具是由平行放置的兩塊平面玻璃或石英玻璃板組成，在兩板相對的平面上鍍有高反射率的薄銀膜， 為了消除兩平板背面反射光的干涉， 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。 具有相同入射角的光線在垂直于觀察方向的平面上的軌跡是一組同心圓。 若在光路上放置透鏡， 則在透鏡焦平面上得

5、到一組同心圓環圖樣。如圖 2 所示，在透射光束中，相鄰光束的光程差為2nd cos（ 5）取 n 12nd cos（ 6）產生亮條紋的條件為2d cosK（ 7）式中 K 為干涉級次；為入射光波長。我們需要了解標準具的兩個特征參量是1、 自由光譜范圍 （標準具參數）或,同一光源發出的具有微小波長差的單FSRFSR色光1 和2 （ 12 ），入射后將形成各自的圓環系列。對同一干涉級，波長大的干涉環直徑小， 所示。如果1 和2 的波長差逐漸加大， 使得 1 的第 m 級亮環與 2的第（ m 1 ）級亮環重合，則有2d c o sm 1（ m1） 2（8）F P 標準具等傾干涉圖2得出212（ 9）

6、m由于大多數情況下，cos1，（ 8）式變為m2d并帶入（ 9）式，得到1212（10）2d2d它表明在 F P 中，當給定兩平面間隔 d 后，入射光波長在 間所產生的干涉圓環不發生重疊。2、 分辨本領定義為光譜儀的分辨本領，對于FP 標準具，它的分辨本領為KN（ 11）K 為干涉級次，N 為精細度，它的物理意義是在相鄰兩個干涉級之間能分辨的最大條紋數。 N 依賴于平板內表面反射膜的反射率R 。NR（ 12）1 R反射率越高，精細度就越高，儀器能分辨開的條紋數就越多。利用 FP 標準具，通過測量干涉環的直徑就可以測量各分裂譜線的波長或波長差。參見圖 2，出射角為的圓環直徑 D 與透鏡焦距 f

7、間的關系為 tanD，對于近中2 f心的圓環很小，可以認為sintan，于是有cos12sin212D 2（ 13）218 f 22代入到（ 7）式中，得2d cos2d（1D 2） K（ 14）8 f 2由上式可推出同一波長相鄰兩級 K 和（ K 1）級圓環直徑的平方差為D 2D K21D K24 f 2（ 15）d可以看出，D 2 是與干涉級次無關的常數。設波長a 和b 的第 K 級干涉圓環直徑分別為 D a 和 D b ，由（ 14）式和（ 15）式得3d22Db2Da2）ab4 f 2（ DbD a）（D K2KD K21K得出222波長差（DbD a）（ 16）2dD K21 DK2

8、波數差1（D b2D a2）（ 17）D K2D K22d1e3、 用塞曼效應計算電子荷質比m對于正常塞曼效應，分裂的波數差為LeB4 mc代入測量波數差公式（17），得e2 cD b2D a2（ 18）（D K2）mdB1D K2若已知 d 和 B ，從塞曼分裂中測量出各環直徑，就可以計算出電子荷質比。emBm 2 c ( Db22Da 2 2 )e d DK 1DK(19)三、實驗數據及數據分析根據所測的塞曼分裂圖，可以用直尺測得距離OA=6.52cmOC=11.48cmOB=5.50cmOD=8.02cmD(k-1)2-D(k)2=(OC-OA2)/4=22.32cm2.D(b)2-D(a)2=(OD-OB2)/4=8.5176cm2.e1.6 10 19 Cm0.91 10 30 kgc3 108 m / s已知標準具厚度d=1.4mm所以由公式 (19)知m 2 cDb2Da2B(22 )e dDK1DK從而 B=2936Gs=0.29221T而我們用特斯拉計測得磁場B0=0.289T誤差 d=|B-B0|=0.003216T相對誤差=d/B0=0.003216/0.289=1.1129%4四、思考題1、標準具的間隔厚度為，該標準具的自由光譜范圍是多少，觀察的譜線分裂情況時，磁場強度的合理取值是多少，若磁場強度為多少時，分裂譜線中哪幾條將會發生重疊。1 22