實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介:塞曼效應(yīng)是物理學(xué)史上一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)。荷蘭物理學(xué)家塞曼(Zeeman)在1896們對(duì)物質(zhì)光譜、原子、分子有更多了解。符號(hào)。根據(jù)洛侖茲(H.A.Lorentz)的電子論，測(cè)得光譜的波長(zhǎng)，譜線的增寬及外J、JJ、JThomson)宣布電子發(fā)現(xiàn)之前幾個(gè)月，J、J塞曼效應(yīng)被譽(yù)為繼X射線之后物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。1902（以表彰他們研究磁場(chǎng)對(duì)光的效應(yīng)所作的特殊貢獻(xiàn)能級(jí)結(jié)構(gòu)的重要方法。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀察并拍攝Hg(546.1nm)譜線在磁場(chǎng)中的分裂情況，研究塞曼分裂譜的特征，學(xué)習(xí)應(yīng)用塞曼效應(yīng)測(cè)量電子的荷質(zhì)比和研究原子能級(jí)結(jié)構(gòu)的方法。實(shí)驗(yàn)原理:一、塞曼分裂譜線與原譜線關(guān)系1、磁矩在外磁場(chǎng)中受到的作用原子總磁矩 在外磁場(chǎng)中受到力矩的作用：其效果是磁矩繞磁場(chǎng)方向旋進(jìn)，也就是總角動(dòng)量（P）繞磁場(chǎng)方向旋進(jìn)。J磁矩 在外磁場(chǎng)中的磁能：由于 或 在磁場(chǎng)中的取向量子化，所以其在磁場(chǎng)方向分量也量子化：∴原子受磁場(chǎng)作用而旋進(jìn)引起的附加能量M為磁量子數(shù)gjj）LS其中：LSJMJ，J-1，J-2-J（2J+1）個(gè)值，即ΔE(2J+1)個(gè)可能值。無(wú)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)能級(jí)，其分裂的能級(jí)是等間隔的，且能級(jí)間隔2、塞曼分裂譜線與原譜線關(guān)系：基本出發(fā)點(diǎn)：∴分裂后譜線與原譜線頻率差由于為方便起見(jiàn)，常表示為波數(shù)差定義 為洛侖茲單位：3、譜線的偏振特征：塞曼躍遷的選擇定則為：ΔM=0時(shí)為π成份型偏振）ΔJ=0=02M=01當(dāng)ΔM=±1時(shí)，為σ成份，σ型偏振垂直于磁場(chǎng)，觀察時(shí)為振動(dòng)垂直于磁場(chǎng)的線偏振光。平行于磁場(chǎng)觀察時(shí)，其偏振性與磁場(chǎng)方向及觀察方向都有關(guān)：沿磁場(chǎng)正向觀察時(shí)（即磁場(chǎng)方向離開(kāi)觀察者： ）ΔM=+1（σ+偏振）ΔM=-1（σ-偏振）也即，磁場(chǎng)指向觀察者時(shí)：⊙ΔM=+1為左旋圓偏振光ΔM=-1為右旋圓偏振光分析的總思路和總原則:在輻射的過(guò)程中，原子和發(fā)出的光子作為整體的角動(dòng)量是守恒的。原子在磁場(chǎng)方向角動(dòng)量為：∴在磁場(chǎng)指向觀察者時(shí)：⊙當(dāng)ΔM=+1時(shí)，光子角動(dòng)量為 ，與同向電磁波電矢量繞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，在光學(xué)上稱(chēng)為左旋圓偏振光。ΔM=-1時(shí)，光子角動(dòng)量為， 與反向電磁波電矢量繞順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，在光學(xué)上稱(chēng)為右旋圓偏振光。例：Hg5461?譜線，{6S7S}3S→{6S6P}3P能級(jí)躍遷產(chǎn)生1 2實(shí)驗(yàn)儀器圖1:塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置圖2:F-P標(biāo)準(zhǔn)具3圖3:汞燈220V器上，由霓虹燈變壓器點(diǎn)燃就電管。自耦變壓器用來(lái)調(diào)節(jié)放電管的電流強(qiáng)度。30V/5A1T圖4:棱鏡攝譜儀頭部為暗箱，用來(lái)拍攝干涉花紋的譜片。也可以為望遠(yuǎn)鏡，借助它觀察干涉花紋。圖5:毫特斯拉計(jì)圖6:濾波片透射干涉濾光片應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所觀察的波長(zhǎng)選擇，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)濾光片得到Hg-546.1nm的譜線圖7:1/4波片給圓偏振光以附加的π/2/2。若把坐標(biāo)軸取在波片上，y軸方向與波片慢軸重合。對(duì)右旋圓偏振光而言（即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的圓偏振光），y方向的位相超前π/21/4x（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的圓偏振光yπ/2，1/4，yπ，圓偏振45°。圖8:[線]偏振片在垂直磁場(chǎng)方向觀察時(shí)用以鑒別π成分和σ成分；在沿磁場(chǎng)方向觀察時(shí)與1/4波片一起，用以鑒別左旋或右旋圓偏振光9:儀器中有數(shù)個(gè)透鏡，依照功能區(qū)分為聚焦鏡：使通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具的光強(qiáng)增加成像透鏡（組）：F—P分裂后，相鄰兩譜線的波數(shù)差實(shí)驗(yàn)方法：觀察塞曼分裂的方法：塞曼分裂的波長(zhǎng)差很小由于磁場(chǎng)中

以Hg5461?譜線為例當(dāng)處于B=1T的要觀察如此小的波長(zhǎng)差，用一般的棱鏡攝譜儀是不可能的，需要用高分辨率的儀器，如法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)器（F—P標(biāo)準(zhǔn)具）。F—P器為法布里—珀羅干涉儀。標(biāo)準(zhǔn)具在空氣中使用時(shí)，干涉方程（干涉極大值）為標(biāo)準(zhǔn)具有兩個(gè)特征參量自由光譜范圍和分辨本領(lǐng)。自由光譜范圍的物理意義：dλ～λ+Δλ間（或波數(shù)在 間所產(chǎn)生的干涉圓環(huán)不重疊若被研究的譜線波長(zhǎng)差大使用標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)，應(yīng)根據(jù)被研究對(duì)象的光譜波長(zhǎng)范圍來(lái)確定間隔圈的厚度。分辨本領(lǐng)：（ 對(duì)于F—P標(biāo)準(zhǔn)具N為精細(xì)度，兩相鄰干涉級(jí)間能夠分辨的最大條紋數(shù)R為反射率，R一般在90%（當(dāng)光近似于正入射時(shí)）例如：d=5mm，R=90%，λ=546.1nmΔλ=0.001nm實(shí)驗(yàn)內(nèi)容Hg546.1nm裂，區(qū)分π，σ+，σ-譜線，并確定磁場(chǎng)方向。設(shè)計(jì)方案，選用合適的F—PB設(shè)計(jì)方案用塞曼分裂的波數(shù)差計(jì)算電子的荷質(zhì)比。討論塞曼效應(yīng)研究原子內(nèi)部能級(jí)結(jié)構(gòu)的方法和應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)討論（F—P）標(biāo)準(zhǔn)具問(wèn)題理論上（F—P）標(biāo)準(zhǔn)具兩相對(duì)反射面距離處處相等，實(shí)驗(yàn)中往往不相等。如何判斷兩反射問(wèn)題是否處處相等？dd分析依據(jù)dθK，d↑時(shí)，K↑，d實(shí)驗(yàn)中垂直于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)要求區(qū)分塞曼分裂中π偏振成分和σ偏振成分。σ斯拉計(jì)測(cè)出磁場(chǎng)，與相應(yīng)的理論值比較。問(wèn)題B，況。分析因?yàn)楦淖傿可以觀察到干涉紋不同的重疊或錯(cuò)級(jí)情況：F—P標(biāo)準(zhǔn)具自由光譜范圍： ，物理意義：若兩譜線波長(zhǎng)差>自由光譜范圍生重疊或錯(cuò)級(jí)。

（或 ），則兩套干涉環(huán)就要產(chǎn)當(dāng)d確定后， 是個(gè)確定的值塞曼裂距：所以實(shí)驗(yàn)中平行于磁場(chǎng)方向觀察要求區(qū)分σ+振與σ-偏振，并說(shuō)明各自對(duì)應(yīng)的 或 的躍遷。了磁場(chǎng)方向與觀察方向的關(guān)系。問(wèn)題為什么要強(qiáng)調(diào)磁場(chǎng)方向與觀察方向的關(guān)系？， 所對(duì)應(yīng)的圓偏振光類(lèi)型與磁場(chǎng)方向關(guān)系。分析按角動(dòng)量守恒原則，在輻射過(guò)程中原子和發(fā)射的光子作為整體，總的角動(dòng)量是守恒的。原子在磁場(chǎng)方向角動(dòng)量當(dāng) 時(shí)，原子在磁場(chǎng)方向角動(dòng)量減少 因此發(fā)射的光子必定在磁場(chǎng)正方向上有角動(dòng)量 。當(dāng)指向觀察者時(shí)，電矢量繞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，在光學(xué)上叫做左旋圓偏振光。同樣，沿著磁場(chǎng)方察到 對(duì)應(yīng)的σ偏振為右旋圓偏振光。同理， 時(shí)

平行于磁場(chǎng)觀察時(shí)，觀原子在磁場(chǎng)方向角動(dòng)量增加 ，因此發(fā)射光子必定具有在磁場(chǎng)相反方向上的角動(dòng)量。即：磁場(chǎng)指向觀察者時(shí)，這個(gè)電磁波電矢量是順時(shí)針?lè)较虻模礊橛倚龍A偏振光。驗(yàn)學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)掌握塞曼效應(yīng)的基本原理，塞曼分裂譜線的特征及其鑒別方法。掌握應(yīng)用塞曼分裂方法測(cè)量電子荷質(zhì)比。實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)塞曼分裂譜線的實(shí)驗(yàn)方法，F(xiàn)-PF-P標(biāo)準(zhǔn)具至最佳工作狀態(tài)。在平行于磁場(chǎng)方向確定同一級(jí)干涉紋內(nèi)、外環(huán)各對(duì)應(yīng)△M=+1△M=-1遷及其圓偏性。在垂直于磁場(chǎng)方向，逐漸增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B，觀察相鄰兩級(jí)干涉環(huán)的錯(cuò)級(jí)和F-P的荷質(zhì)比。操作指導(dǎo)在系統(tǒng)主界面上選擇“塞曼效應(yīng)”并單擊，即可進(jìn)入本仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，顯示主實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖1。圖1二、主菜單在主實(shí)驗(yàn)臺(tái)上單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出主菜單（圖2、3）：圖2 圖3移動(dòng)鼠標(biāo)到所要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上單擊，就會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介。選擇“實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介”項(xiàng)，會(huì)出現(xiàn)以下文本框（4），按鈕，回到主實(shí)驗(yàn)臺(tái)。圖4實(shí)驗(yàn)原理。（分裂情況。鼠標(biāo)左鍵單擊“返回”按鈕，返回主實(shí)驗(yàn)臺(tái)。圖5選擇“法布里—泊羅標(biāo)準(zhǔn)具原理”項(xiàng)，會(huì)出現(xiàn)下面的控制臺(tái)（圖6）。鼠標(biāo)出現(xiàn)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)具原理圖。鼠標(biāo)左鍵單擊“返回”按鈕，返回主實(shí)驗(yàn)臺(tái)。圖6實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。退出。退出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，返回系統(tǒng)主界面。三、垂直磁場(chǎng)方向觀察塞曼分裂在主菜單的“實(shí)驗(yàn)內(nèi)容”里選擇“垂直磁場(chǎng)方向觀察塞曼分裂”，一（圖7）。鼠標(biāo)在臺(tái)面上移動(dòng)時(shí)，最下面的信息臺(tái)會(huì)出現(xiàn)提示。圖7鼠標(biāo)右鍵在臺(tái)面上單擊，會(huì)出現(xiàn)下面的選項(xiàng)菜單（圖8）：

進(jìn)入實(shí)驗(yàn)臺(tái)圖8選擇“實(shí)驗(yàn)步驟”項(xiàng)，會(huì)出現(xiàn)下面的文本框（9）單擊“返回”按鈕，回到實(shí)驗(yàn)臺(tái)一。圖9（圖103．按照實(shí)驗(yàn)光路圖，開(kāi)始安排儀器位置（圖11動(dòng)。在臺(tái)面上你認(rèn)為正確的位置上，再次單擊鼠標(biāo)左鍵，儀器進(jìn)入放置狀態(tài)。注意：如果儀器位置不到臺(tái)面，或者超出臺(tái)面范圍，放置儀器時(shí)，儀器會(huì)回到初始位置。管電源。這時(shí)，臺(tái)面上會(huì)出現(xiàn)一條水平的光線。注意：如果儀器的相對(duì)位置不正確，開(kāi)啟電源時(shí)，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示，光線不會(huì)出現(xiàn)。不需要調(diào)節(jié)。狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)具調(diào)節(jié)控制臺(tái)（12）。圖12鼠標(biāo)左鍵單擊不同方向的觀察按鈕，標(biāo)準(zhǔn)具中的分裂環(huán)會(huì)出現(xiàn)吞吐現(xiàn)象。題后，出現(xiàn)提示信息。鼠標(biāo)右鍵單擊文本退出“調(diào)整指導(dǎo)”。調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具視框上的三個(gè)旋鈕。直到眼睛往不同方向移動(dòng)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)具視框中的分裂環(huán)均不會(huì)出現(xiàn)吞吐現(xiàn)象。鼠標(biāo)右鍵單擊旋鈕，旋鈕逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，d鼠標(biāo)左鍵單擊旋鈕，旋鈕順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，d由于實(shí)驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)具難于調(diào)整，以致于影響后面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，所以控制臺(tái)中平狀態(tài)。鼠標(biāo)左鍵單擊“返回”按鈕，返回實(shí)驗(yàn)臺(tái)一。4．調(diào)節(jié)完光路和標(biāo)準(zhǔn)具后，方可選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)始觀測(cè)。選擇“鑒別兩種偏振成分”，進(jìn)入下面的控制臺(tái)（13）上移動(dòng)時(shí)，最下面的信息臺(tái)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的操作鍵和視窗信息。圖13按鈕退出。偏振片視窗上的紅線表示偏振片透振方向，鼠標(biāo)左鍵單擊“偏振片透振方向的旋轉(zhuǎn)，望遠(yuǎn)鏡視窗中的分裂線也會(huì)隨透振方向的改變而改變。鼠標(biāo)左鍵單擊“返回”按鈕，返回實(shí)驗(yàn)臺(tái)一。選擇“觀察塞曼裂距的變化”選項(xiàng)，進(jìn)入下面的控制臺(tái)（14）控制臺(tái)上移動(dòng)時(shí)，最下面的信息臺(tái)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的操作鍵和視窗信息。圖14鼠標(biāo)左鍵單擊“觀察指導(dǎo)”按鈕，會(huì)出現(xiàn)下面的文本框（15）鼠標(biāo)左鍵單擊文本框上的“返回”按鈕，返回控制臺(tái)。圖15鼠標(biāo)左鍵單擊（或按下不放）“電流調(diào)節(jié)旋鈕”，旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，安培表曼裂距發(fā)生變化。按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)中的要求，記錄相應(yīng)的電流數(shù)據(jù)。鼠標(biāo)左鍵單擊“電流-磁場(chǎng)強(qiáng)度坐標(biāo)圖”，出現(xiàn)下面的坐標(biāo)圖（16）。鼠值。查完后，鼠標(biāo)左鍵單擊“返回”按鈕，返回控制臺(tái)。圖165．實(shí)驗(yàn)臺(tái)所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成后，選擇“返回”項(xiàng)目，返回主實(shí)驗(yàn)臺(tái)。四、垂直磁場(chǎng)方向觀察塞曼分裂在主實(shí)驗(yàn)臺(tái)上選擇“平行于磁場(chǎng)方向觀察塞曼分裂”選項(xiàng)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)臺(tái)二（圖17）。鼠標(biāo)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上移動(dòng)時(shí)，最下面的信息臺(tái)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的儀器信息。圖17鼠標(biāo)右鍵在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上單擊，會(huì)出現(xiàn)下面的實(shí)驗(yàn)選項(xiàng)（圖18）。圖181．“仿照實(shí)驗(yàn)臺(tái)一的操作方法，安排好儀器的位置，調(diào)節(jié)好光路和標(biāo)準(zhǔn)具。選擇“觀察圓偏振光”，進(jìn)入下面的控制臺(tái)（圖19）時(shí)，最下面的信息臺(tái)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的操作鍵和視窗信息。圖19鼠標(biāo)左鍵單擊“觀察指導(dǎo)”按鈕，出現(xiàn)下面的文本框（圖20）鼠標(biāo)左鍵單擊文本框上的“返回”按鈕，返回控制臺(tái)。圖20應(yīng)