塞曼效应

1896年塞曼（Pieter Zeeman 1865～1943荷兰物理学家）发现把光源置于足够强的磁场中时，光源发出的每一条谱线都分裂为若干条偏振化谱线，分裂的条数随能级类别不同而不同，这种现象称为塞曼效应。塞曼效应是继法拉第和克尔效应之后被发现的第三个磁光效应，是物理学的重要发现之一。本实验通过原子发光的磁分裂效应，说明原子能级的磁相互作用能的存在，由于分裂的波长（对应于能级）差很小，故不能用一般的分光仪器去分析测量。

[实验目的]

1．观察波长为5461的汞谱线的塞曼分裂，并把实验结果与理论结果相比较，计算电子荷质比。

2．掌握法布里—珀罗标准具的原理和调节方法。

[仪器和用具]

塞曼效应仪（包括直流电磁铁、法布里—珀罗标准具、放电管及观察照相等光学元件），高斯计。

[实验原理]

（一）电子自旋和轨道自旋运动使原子具有一定的磁矩。在外磁场中，原子磁矩与磁场相互作用，使原子系统附加了磁作用能ΔE。又由于电子轨道和自旋的空间量子化，这种磁相互作用能只能取有限个分立的值，此时原子系统的总能量为：

                   E=E₀+ΔE=E₀+Mg                       （1）

式中E₀为未加磁场时的能量，M为磁量子数，B为外加磁场的磁感应强度，e为电子电量，m为电子质量，h为普朗克常数，g为朗德因子。

朗德因子的值与原子能级的总角动量J、自旋量子数S和轨道量子数L有关，在L-S耦合情况下：

                g=                  （2）

由于J一定时，M=J，J－1，…  ，－J。所以由式1和2式可知，原子在外磁场中，每个能级都分裂为2J+1个子能级。相邻能级的间隔为

                   g

玻尔磁子=9.2741×10^-24J?T

设频率为 的光谱线是由原子的上能级E₂跃迁到下能级E₁所产生，由此，谱线的频率同能级有如下关系：

                                            （3）

在外磁场的作用下，上下两能级各获得附加能量ΔE₂，ΔE₁，因此，每个能级各分裂（2J₂+1）个和（2J₁+1）个子能级。这样上下两个能级之间的跃迁，将发出频率为的谱线，并有

   ==

分裂后的谱线与原谱线的频率差为：

               

换以波数表示

                         （4）

式中 称为洛仑兹单位，以L表示，则（4）式写为

                

跃迁时M的选择定则与谱线的偏振情况如下：

选择定则：=0（当时，被禁止），=。

当Δ=0时，产生的偏振光为 成分。垂直于磁场观察时（横效应），线偏振光的振动方向平行于磁场。平行于磁场观察时， 成分不出现。

当Δ时，产生的偏振光为成分。垂直于磁场观察时，产生线偏振光，其振动方向垂直于磁场。平行于磁场观察时（纵效应），产生圆偏振光。Δ=1，偏振转向是沿磁场方向前进的螺旋方向，磁场指向观察者时，为左旋圆偏振光；Δ=-1时，偏振方向是沿磁场指向观察者时，为右旋圆偏振光。

光谱线的间线（上下能级自旋量子数S=0即单重态间的跃迁）在磁场作用下，把原波数为 的一条谱线分裂为波数为的三条谱线，中间的一条为成分，分裂的二条为成分，谱线间隔为一个洛仑兹单位。对于双重态以上的谱线将分裂成更多条谱线。前者称为正常塞曼效应，后者称为反常塞曼效应。

例；钠589nm谱线的塞曼效应

钠589nm谱线是²P_3/2  ²S_1/2跃迁的结果，能级分裂的大小和可能的跃迁如表1所示。

表1

   塞曼效应能级图如图1所示：

 

（二）塞曼分裂的波长差是很小的，如在正常塞曼效应中

                                        

设B=0.5T，λ=500.0nm，分裂的波长差为Δλ=0.06nm。欲分辨如此小的波长差要求分光仪器的分辨率λ/Δλ=10⁵。一般棱镜摄谱仪的理论分辨率10³～ 10⁴，故不适用。如果用两米光栅摄谱仪的二级光谱，也只有在加大磁场的情况下研究塞曼分裂。因此用法布里—珀罗（F—P）标准具作为分光仪器，它的理论分辨率可达10⁵ ～10⁷。

1．F—P标准具的原理及性能

F—P标准具是由两块平面玻璃板中间夹有一个间隔圈组成的。玻璃板的内表面镀有高反射膜，反射率R >90º（不准擦拭反射膜）。间隔圈用膨胀系数很小的材料加工成一定厚度，以保证两玻璃板的距离不变，再用三个螺丝调节玻璃上的压力来达到精确平行，标准具光路如图2所示。

 

F—P标准具是多光束干涉装置，一束光以 角射入F—P标准具后，这束光可以在标准具的A，B内表面镀膜之间进行多次反射和透射，透过平行光束经透镜L会聚在它的焦平面P上产生干涉，设两拨板内平面间距为d，在空气中折射率近似为n=1，入射角为 ，则相邻两束光的光程差为，形成亮条纹的条件为

                                            （5）

其中k为整数，表示干涉条纹级次。由式5可看出，满足同一角的光线，在屏上显示的干涉条纹为一圆环，属等倾干涉。设中心亮环的干涉级次为，则向外依次为-1，

－2，  形成一系列向外的同心圆环。

F—P标准具的自由光谱范围：设入射光波长发生微小变化，则产生各级干涉亮环套在各相应级的亮环内外。如图3所示。

如使Δλ继续增加，使λ₂的（）级亮环与λ₁的亮环重合，即

                  

此时的波长差以Δλ_F表示。当Δλ>Δλ_F时，就发生λ₁和λ₂不同级次亮条纹重叠交叉情况。因此Δλ_F被叫做自由光谱范围，或叫做不重叠区域。

当 角较小时，cos =1，2d=kλ，由重合条件得

                      

用波数表示

                                                   （6）

2．用标准具测量波数差公式

对同一级次有微小波长差的不同波长λ_a，λ_b，λ_c而言，如图4所示可以证明，在相邻干涉次级与（-1）级下有；

          (7)

其中d为标准具常数。

[实验仪器与装置]

该实验可采用多种仪器与方法，一般常用的是在塞曼效应仪上加以不同的观察装置。观察塞曼效应的实验装置如图4所示。

 

汞灯光由会聚透镜成平行光，经滤光片后546.1nm光入射到F-P标准具上，由偏振片鉴别成分和成分，再经成像透镜将干涉图样成像在测量望远镜（或CCD光敏面、摄谱仪底版）上。观察塞曼效应纵效应时，可将电磁铁极中的芯子抽出，磁极转90º，光从磁极中心通过。将1/4波片置于偏振片前方，转动偏振片可以观测成分的左旋和右旋圆偏振光。

[实验内容与方法]

本实验观测汞（Hg）546.1nm谱线的塞曼分裂，这条谱线是在能级³S₁→³P₂间跃迁产生的。实验前先进行理论分析，确定观察谱线各能级的量子数L，S，J及M，计算朗德因子g，按照选择定则确定可能的子能级及偏振态，画出塞曼分裂能级图，以上分析须在实验预习报告中完成。

1．按图4调整光学系统，调节各光学部件共轴，调整标准具。F-P标准具调整：根据   ，对于某一 波长同一干涉级，如果在某一 方向上标准具的间距大，则这个方向上干涉环直径也大。所以可以直接观察标准具的干涉环进行调整，当眼睛向某一个调整螺丝方向移动时，若花纹从中间冒出或向外扩大，说明此方向标准具间隔大，应将该方向的螺丝旋紧或放松其他两个螺丝，直到眼睛向各过方向移动时，干涉环的大小不变为止，此时F-P标准具的两玻璃板严格平行。调整L位置，可使亮环最亮。

2．观察汞546.1nm在B=0与B0时的物理图象；转动偏振片，检查横效应和纵效应下分裂的成分；描述现象并加以理论证明。

3．测量与数据处理。本实验测量横效应的成分，如图4所示。用测量望远镜（或阿贝比长仪）测量出 级与－1级各干涉圆环的直径，用特斯拉计测量磁场B。利用以知常数及公式（7）计算出；再由公式（4）计算。并计算  测量误差[标准值=1.76×10¹¹（库仑/千克）]

第二篇：新编大学物理实验

　　　　　　　新编大学物理实验　　　 杨学锋 罗秀萍 魏勇　　 刘志华 赵杰　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　德州学院物理系前 言本教材是依据教育部和省教育厅关于基础物理实验教学示范中心建设的要求编写的。各参编人员在教材的编写过程中，力争做到突破传统的物理实验教学模式，增加了许多综合设计型和提高创新型实验内容，将许多传统的验证型实验项目或者部分内容，改进为设计型和研究型实验项目，使学生由被动性的实验过程变为主动性的实验过程。本教材在提高学生的分析问题和解决问题能力、动手能力等综合素质方面将会有所突破。本教材选的实验项目和实验内容，突出了时代性、先进性、适用性，所选用的实验仪器也是比较先进的。本教材包含力学、热学、电磁学、光学、原子物理的普通物理实验内容。本教材既适合作为物理学专业的普通物理实验教材，又适合作为非物理学专业的大学物理实验教材。参加本教材编写的有：误差理论和力学部分由杨学锋高级实验师编写；光学和原子物理部分由罗秀萍老师编写；电磁学部分的第1--14个实验由魏勇老师编写；电磁学部分的第15--18个实验由赵杰高级实验师编写；热学部分由刘志华老师编写。　　由于编者水平有限，本实验教材中难免有不当之处，恳请读者提出批评指正。　　　　　 编 者　　 20xx年8月31日　　　　　　　　　　　　　　目 录第一章 测量的不确定度1-1 测量与误差-------------------------------------------------51-2测量的不确定度---------------------------------------------81-3 有效数字--------------------------------------------------171-4 数据处理--------------------------------------------------21　　　　　　　　　　第二章 力学实验实验一 固体和液体密度的测定----------------------------------37实验二 单摆的设计与研究--------------------------------------40实验三 惯 性 称----------------------------------------------44实验四　 杨氏模量的测定---------------------------------------47实验五 梁的弯曲的研究---------------------------------------52实验六 牛顿第二定律的研究------------------------------------56实验七　 碰撞过程中守恒定律的研究-----------------------------57实验八　恒力矩转动法测定刚体转动惯量--------------------------61实验九　复摆的研究--------------------------------------------67实验十 声速的测定----------------------------------------

---70实验十一 弦振动的研究----------------------------------------73实验十二　 液体粘滞系数的测定与研究---------------------------77实验十三 谐振动的研究---------------------------------------82实验十四 用凯特摆测量重力加速度-------------------------------86　　　　　　　　　　　第三章 热学实验第一节 热学实验概论-------------------------------------------90第二节 热学基本实验-------------------------------------------96实验一 金属比热容的测定---------------------------------------97实验二 热功当量的测定（电热法）------------------------------102实验三 水的汽化热的测定-------------------------------------106实验四 良导体热导率的测定------------------------------------112实验五 液体表面张力系数的测定（拉脱法）----------------------125实验六 金属线膨胀系数的测定（光杠杆法）----------------------130　　　　　　　　　　　设计性实验实验七 空气比热容比的测定（绝热膨胀法）----------------------133　　　　　　　　　　第四章 电磁学实验第一部分 基础知识1-1电表---------------------------------------------------1381-2电阻器-------------------------------------------------1411-3直流电源-----------------------------------------------1431-4电磁学实验中的标准仪器---------------------------------1441-5物理实验的基本方法-------------------------------------1451-６设计性实验基础知识------------------------------------147　　　　　　第二部分 电磁学实验实验一 伏安法测电阻及二极管伏安特性曲线测定-----------------153实验二 静电场的描绘-----------------------------------------158实验三 用惠斯登电桥测电阻-----------------------------------162实验四 低电阻及金属电阻率的测量-----------------------------166实验五 磁场描绘---------------------------------------------170实验六 使用电位差计测量电池电动势及使用电位差计校正电表----176实验七 使用示波器测定电信号基本电学参量--------------------181实验八 电子束线的偏转与聚焦--------------------------------186实验九 交流电桥--------------------------------------------190实验十 RLC电路的暂态特性--------------------------------195实验十一 RLC电路谐振特性研究------------------------------202实验十二 波尔兹曼常数测定----------------------------------205实验十三 霍尔效应法测量微小位移----------------------------208实验十四 铁磁材料的计算机静态磁滞回线、磁化曲线测量方法研究-------------------211　　　　　　　　设计性实验实验十五 测电源的电动势和内阻-----------------------------214实验十六

改装电表和电位差计的使用-------------------------215实验十七 交流电路功率的测量-------------------------------220实验十八 三相交流电特性及应用-----------------------------223第五章 光学实验光学实验的内容和特点---------------------------------------227实验一 用菲涅耳双棱镜测钠光波长---------------------------232实验二 用牛顿环干涉测透镜曲率半径-------------------------236实验三 迈克耳逊干涉仪的调整和使用-------------------------240实验四 单缝和双缝衍射光强分布-----------------------------247实验五 分光计的调整和使用--------------------------------253实验六 用透射光栅测定光波波长--------------------------- 260实验七 单色仪的定标和滤光片光谱透射率的测定--------------264实验八 薄透镜焦距的测定-----------------------------------269实验九 光具组基点的测定-----------------------------------274实验十 棱镜玻璃折射率的测定-------------------------------278实验十一 用掠入射法测定透明介质的折射率--------------------280实验十二 偏振现象的观察与分析------------------------------287实验十三 望远镜和显微镜----------------------------------296实验十四 用小型棱镜摄谱仪测定光波波长--------------------306　　　　　　　　　　　设计性实验实验一 用不同光学方法测定玻璃薄片的折射率------------------312实验二 自组显微镜和望远镜----------------------------------313第六章 原子物理实验概述--------------------------------------------------------314实验一 密里根油滴实验-------------------------------------315实验二 夫兰克-赫兹实验------------------------------------321实验三 利用光电效应测定普朗克常量-------------------------325实验四 塞曼效应-------------------------------------------3302- -