塞曼效应

【摘要】

本实验用光栅摄谱仪观测和拍摄了铁和汞在有无磁场时的光谱，并用阿贝比长计通过以铁的光谱为依据测定了汞光谱的波长，与理论值进行了比较，并解释和分析了谱线。

【关键词】

塞曼效应     谱线    光栅摄谱仪    能级    谱线

【引言】

塞曼效应是1986年荷兰物理学家塞曼发现的，洛伦兹对其成功的做出了解释。塞曼效应的发现及其解释对研究原子中电子的角动量和反应角动量耦合作用的朗德因子等原子结构信息由重要作用。塞曼效应是法拉第磁效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，证实了原子具有磁矩和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解，特别是由于及时得到洛仑兹的理论解释，更受到人们的重视，被誉为继X射线之后物理学最重要的发现之一。本实验采用光栅摄谱仪摄谱的方法来研究这一现象。

【实验原理】

     原子的磁矩与总角动量的关系：J=gJ，

        原子在磁场中的磁相互作用能ΔΕ=－JΒ=­­­­­－gΡJ，是磁矩与外加磁场的夹角。故原子在外磁场中的总能量为Ε=Ε0＋ΔΕ=Ε0＋ΜgBΒ，Μ=J，J－1，…,－J。（1）

          g=                                       （2）

     

由（1）、（2）知，每个J0都分裂为2J＋1个能级，同一能级分裂的间距相等，为gBΒ，不同能级，如果g不同，则能级间距不同。

   

ΔJ=0,±1（J=0→J=0禁戒），

    ΔΜ=0，±1（ΔJ=0时，Μ=0→Μ=0禁戒）。

    ΔΜ=0时，辐射的光称为线，ΔΜ=＋1时辐射的光称为＋线，ΔΜ=－1时辐射的光称为－线。

跃迁辐射产生的波数差为Δν=(M2g2-M1g1)，= =0.467B，称为洛伦兹单位（cm－1）。

由以上可以得到分裂谱线结果：

  ＋线波数差：Δ=2和1. 5，－线波数差：Δ=－2和－1. 5

    线波数差：Δ=0.5和－0.5

相应的波长差（Δλ=λ2,=435.8nm,B=2.2T）

表一

其中Hg 不分裂谱线的波长      =435.83nm

理论的分裂后的六条谱线波长分别为λ1=435.791，λ2=435.801，λ3=435.820

                                λ4=435.840，λ5=435.859，λ6=435.869.

在塞曼效应中有一种特殊情况，上下能级的自旋量子数S都等于零，塞曼效应发生在单重态间的跃迁。此时，无磁场时的一条谱线在磁场中分裂成三条谱线。其中ΔM=对应的仍然是σ态，ΔM=0对应的是π态，分裂后的谱线与原谱线的波数差Δν== 。称这种现象为正常塞曼效应。若g1g2,S，则对应反常塞曼效应。

【实验仪器】

  

实验仪器有磁场、汞灯、Fe弧光源、透镜L1、透镜L2、平面镜R、光栅摄谱仪、滤光片P、定影液、显影液、阿贝比长仪。

阿贝比长仪的读数方法

　　

如图 1 所示为读数显微镜视场，旋转螺钉可使圆刻度尺（分为 100 格）从小到大或由大到小（实验时由鼠标控制）旋转，使在阿基米德螺线范围内的毫米刻度尺刻度线落在阿基米德双线之间，这时即可读数。图中所示读数读法如下：毫米刻度尺读数为 46mm 、 1/10 毫米分划板上的示值读为 0.2mm ，分划板的箭头所指圆刻度盘上的示值读数为 0632.0 mm ，其中最后一位为估读值，所以结果读数为： 46.2632mm 。

比长法计算波长                         

【实验内容】

1.   调整外光路，使得汞放电管发出的光辐射经过透镜L1和反射镜BS在摄谱仪入射狭缝上成像。

2.   分别拍摄无磁场和家撒谎呢个磁场后汞放电管的光谱，以记录谱线在磁场中的分裂情况。加磁场后，在入射狭缝前放置偏振片拍摄一组，取掉偏振片在拍摄一组，记录谱线的偏振特性。拍摄铁光谱作为测量用的标准谱，拍摄时要用滤光片消除干扰谱线。

3.   将拍摄好的底片，在暗室中进行冲洗。在暗室中将底片取出显影7分钟，然后用清水洗涤20秒，然后定影20分钟左右。观察底片上拍摄谱线的结果。

4.   用阿贝比长仪测量分支谱线的波长。

【数据处理与实验结果分析】

实验记录：

相关参数

光缝宽度Fe 5格（0.005mm）; Hg 5格（0.005mm）

光缝倾斜：2.15     光缝调焦：8.60

光栅转角：93.6     磁场强度2.2T

 摄谱计划

表二

表三

以铁435.273为参考线得出汞435.8未分裂波长λ10=435.833nm

                                分裂后波长λ1=435.795nm，λ2=435.807nm，

             λ3=435.826nm，λ4=435.849nm，λ5=435.869nm，λ6=435.879nm

实验与理论对比

表四

实验与理论相比误差不大，实验与理论相符合

【结论与建议】

实验中，拍摄到铁光谱及汞分裂前和分裂后的光谱，加磁场后，观察到分裂后的六条汞谱线中有两条平行于磁场和四条垂直于磁场，即两条线，四条线，与理论相符。以铁的谱线为测量用的标准谱线，采用比长法，用阿贝比长仪测得汞谱线及其分裂谱线波长分别为435.833   435.791    435.801    435.820    435.840   435.859   435.869（nm）, 与理论波长相差不大，结果比饺精确。

 建议：

1.   调节光路要认真，有耐心，因为光路的好坏决定实验的成功与否，一定不能急躁

2.   读数时，要沿一个方向有顺序的读，多读几组数据，降低误差。

【参考文献】

第二篇：实验报告模板塞曼效应

计算机仿真物理实验1—塞曼效应 实验报告模板

班 实验组号 姓名 学号课程名称 大学物理实验（2） 2007 年 9 月 3 日 实验题目 计算机仿真物理实验1—塞曼效应

一、实验目的

1.通过计算机仿真软件研究汞原子（546.1nm）谱线在磁场中的分裂情况。

2.掌握法布里-珀罗标准具的原理和调节方法。

二、仪器设备

计算机仿真系统

三、实验原理

1、塞曼效应原理（自己概括,包括原理图）

2、法布里-珀罗标准具的原理（自己概括，包括光路图）

四、实验步骤

1、 点击计算机桌面上的“大学物理仿真实验 v2.0”，启动“大学物理仿真实验”软件。

2、 点击“下一页”，然后点击“塞曼效应”，进入“塞曼效应”实验主平台。

3、 在实验界面上右击鼠标，在快捷菜单上选取相应的内容，依次阅读“实验简介”、“实验原理”、“实验仪器”、“实验内容”和“实验思考题”。

4、 在实验界面上右击鼠标，在快捷菜单上选取“实验原理演示”，在下拉菜单中分别选取“塞曼效应原理”和“法布里-珀罗标准具的原理”，写出两个原理的实验体会。

5、 在实验界面上右击鼠标，在快捷菜单上选取“开始实验”。

（1） 点击“垂直磁场方向观察塞曼分裂”

1． 右击鼠标，选择“实验光路图”，按照实验光路图，安排各装置的正确位置．鼠标单击仪器，进入拖动状态；鼠标再次单击，放置仪器．

2． 打开水银辉光放电管电源．

3． 调节各仪器的光路使其共轴．鼠标左键单击仪器，可以使仪器的水平高度降低；鼠标右键单击仪器，可以使仪器的水平高度升高．

4． 调整标准具．鼠标双击标准具，标准具进入调整状态．调节标准具，写出标准具的调节方法，调节完毕返回。

5． 右击鼠标，选择“实验项目”，点击“鉴别两种偏振成分”，改变偏振片的偏振方向，观察Hg(546.1nm)谱线的分裂情况，写出鉴别π成分和σ成分的方法；点击“观察塞曼裂距的变化”，观察第k级圆环和第k+1级圆环的σ成分重叠情况。

6． 返回到“塞曼效应”实验主平台。

（2） 点击“平行磁场方向观察塞曼分裂”

1． 右击鼠标，选择“实验光路图”，按照实验光路图，安排各装置的正确位置．鼠标单击仪器，进入拖动状态；鼠标再次单击，放置仪器．

2． 打开水银辉光放电管电源．

3． 调节各仪器的光路使其共轴．

4． 调整标准具．

5． 右击鼠标，选择“观察圆偏振光”，鉴别σ谱线的左旋和右旋圆偏振光。

6、退出“大学物理仿真实验”。

五、实验数据记录及处理

一、垂直磁场方向观察塞曼分裂

1、写出鉴别π成分和σ成分的方法

二、平行磁场方向观察塞曼分裂

1、如何鉴别σ谱线的左旋和右旋圆偏振光。

三、写一份实验总结（300字左右）

六、讨论及思考题

1．如何鉴别F-P标准具的两反射面是否严格平行，如发现不平行应该如何调节？ 答：自己写出答案。