塞曼效應(yīng)

——電科091吳建國09461127近代物理實驗指導(dǎo)老師：李峰塞曼效應(yīng)的簡介：塞曼效應(yīng)是1896年由荷蘭物理學(xué)家塞曼發(fā)現(xiàn)的.他發(fā)現(xiàn)，原子光譜線在外磁場發(fā)生了分裂。隨后洛侖茲在理論上解釋了譜線分裂成3條的原因。這種現(xiàn)象稱為“塞曼效應(yīng)”。塞曼效應(yīng)是繼1845年法拉第效應(yīng)和1875年克爾效應(yīng)之后發(fā)現(xiàn)的第三個磁場對光有影響的實例。塞曼效應(yīng)證實了原子磁矩的空間量子化，為研究原子結(jié)構(gòu)提供了重要途徑，被認(rèn)為是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。利用塞曼效應(yīng)可以測量電子的荷質(zhì)比。在天體物理中，塞曼效應(yīng)可以用來測量天體的磁場。實驗?zāi)康?.掌握塞曼效應(yīng)理論，測定電子荷質(zhì)比，確定能級的量子數(shù)與朗德因子，繪出躍遷的能級。2.掌握法布里——珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的原理及應(yīng)用、CCD攝像器件在圖像傳感器中的應(yīng)用。3.熟練掌握光路的調(diào)節(jié)。【實驗原理】一、塞曼效應(yīng)（1）原子中的電子一方面繞核作軌道運(yùn)動動量PL，一方面本身作自旋運(yùn)動‘將分別產(chǎn)生軌道磁矩與自旋磁矩，它們與角動量的關(guān)系是：

原子的有效磁矩，它大小由下式?jīng)Q定：g稱為朗德因子（3）光的偏振

時，產(chǎn)生光，光是光振動平行于磁場方向的線偏振光。當(dāng)垂直于磁場方向觀察時（橫效應(yīng)），如偏振片平行于磁場，將觀察到的光。，產(chǎn)生光，沿著磁場方向觀察時，如將偏振片垂直于磁場，光為圓偏振光，為反時針的左旋圓偏振光，同理，可得順時針的右旋圓偏振光。如圖3所示。磁場磁場圖光的偏振（4）若原子磁矩完全由軌道磁矩所貢獻(xiàn)，即S1=S2=0，g1=g2=1，原來波數(shù)為的一條譜線，將分裂成波數(shù)為,，，,三條偏振化的分譜線，，為一個洛侖茲單位，我們稱為正常塞曼效應(yīng)（cm-1）

實際上，正常塞曼效應(yīng)僅僅是個特例，通常情況兩種磁矩同時存在，即，，，稱為反常塞曼效應(yīng)，波數(shù)差為（5）塞曼效應(yīng)是中等磁場（B≈1特斯拉）對原子作用產(chǎn)生的效應(yīng)。這樣的場強(qiáng)不足以破壞原子的LS耦合，當(dāng)磁場較強(qiáng)（B為幾個特斯拉）時將產(chǎn)生帕刑—拜克效應(yīng)。弱磁場（B<0.01特斯拉）時則應(yīng)考慮核自旋參與耦合。塞曼效應(yīng)證實了原子具有磁矩與空間量子化。實驗觀測與理論分析的一致性是對磁量數(shù)選擇定則的有效性的最好的實驗證明，也是光子的角動量縱向分量有三個可能值（，0，-）的最好證明。由塞曼效應(yīng)的實驗結(jié)果確定有關(guān)原子能級的量子數(shù)M,J與g因子值，可判斷躍遷能級哪一個是上能級和另一個是下能級，并可計算出L與S的數(shù)值，這些確定均與實驗所用原子無關(guān)，因而是考察原子結(jié)構(gòu)的最有效的辦法。汞原子的塞曼效應(yīng)【實驗器材】1—筆形汞燈2—光具座3—永磁鐵4—聚光透鏡5—偏振片6—濾光片7—固體F-P標(biāo)準(zhǔn)具8—虛線框內(nèi)為ZM2000ACCD采集分析系統(tǒng)9—磁鐵移動手槍

計算機(jī)數(shù)據(jù)采集盒用USB接口與計算機(jī)相連，同時以DB15插座通過電纜線與CCD采集盒相連。計算機(jī)數(shù)據(jù)采集盒上有一個12位的A/D轉(zhuǎn)換器，也就是說可以把CCD器件上每一個光敏單元上的光強(qiáng)信號分成4096個灰度等級。空間分辨率與所使用的CCD光強(qiáng)儀的型號有關(guān)，在7μm~14μm之間，詳見CCD采集盒的銘牌。數(shù)據(jù)采集盒對計算機(jī)要求不高，586最小配置，有USB接口就可以了。ZM2000B2型塞曼效應(yīng)實驗的光路圖【實驗內(nèi)容】

（1）參照上面的結(jié)構(gòu)圖將各個器件安裝好。 （2）打開筆形汞燈的電源，汞燈通電后，亮度會逐步提高，此穩(wěn)定過程約需一兩分鐘，打開計算機(jī)的電源，運(yùn)行ZEEMAN軟件； （3）轉(zhuǎn)動磁鐵移動手輪，將汞燈置于磁場兩極的中間，此時磁場強(qiáng)度最大，越遠(yuǎn)離此位置，磁場強(qiáng)度越小，且均勻性也變差； （4）分以下幾步 （a）調(diào)節(jié)光路，使各光學(xué)器件同軸、等高，使光束通過每個光學(xué)元件的中心。2，調(diào)節(jié)聚光透鏡4的位置，盡可能使強(qiáng)度均勻的光束落在F-P標(biāo)準(zhǔn)具上。

（b）聚光透鏡的位置對分裂曲線的影響很大，將聚光透鏡安放在橫向可調(diào)的馬鞍坐上，汞燈與聚光透鏡立桿的距離一般在180mm左右，此值如減小,則觀察到的分裂級次減少而信號較強(qiáng),如增大,則相反，實驗要求至少5個干涉級可測。汞燈與標(biāo)準(zhǔn)具立桿的距離一般在390mm左右。ZM2000A的鏡頭緊靠標(biāo)準(zhǔn)具（加遮光罩）；（c）ZM2000A的鏡頭筒上有一道細(xì)刻線，轉(zhuǎn)動鏡頭與之平齊，就可大致調(diào)到焦距的位置，再略做細(xì)調(diào)，使軟件得到幅度最大，細(xì)節(jié)最清楚的曲線。（d）ZM2000A中的線陣

CCD器件是沿豎直方向安裝，故對上下位置上的光線敏感，要仔細(xì)調(diào)節(jié)F-P標(biāo)準(zhǔn)具和ZM2000A的鏡頭的仰角旋鈕，使兩者等高，軟件得到對稱的分裂曲線。

反復(fù)調(diào)節(jié)聚光透鏡的位置，ZM2000A鏡頭和標(biāo)準(zhǔn)具的仰角，使軟件得到左右對稱的足夠多級次（大于5級）細(xì)節(jié)清楚的分裂曲線。（5）轉(zhuǎn)動偏振片，分別得到π光和σ光分裂曲線；（6）參閱附錄2完成實驗數(shù)據(jù)的測量。【注意事項】（1）使用中有以下問題需要注意： （a）用ZM2000A采集測量時，如無暗室環(huán)境，請用遮光罩連接標(biāo)準(zhǔn)具座和ZM2000A的鏡頭座，否則信號會飽和，曲線一直呈現(xiàn)為計算機(jī)屏幕頂部的一條直線；（b）汞燈對人眼有害，實驗中請勿直視汞燈；（c）實驗中請勿將手表等易受磁場影響