塞曼效应实验报告_2.docx
贵州师范学院物理实验报告实验名称：赛曼效应一实验R期:级.班姓名年_月一日同组者教师.一、实验目的;1 .掌握塞曼效应理论,测定电子的荷质比,确定能级的量子数和朗德因子,绘出跃迁的能级图。2 .掌握法布里珀罗标准具的原理及使用CCD摄像器件在图像传感中的应用。二、实验仪器:1.法布里一珀罗标准具假定磁场强度H=I特斯拉，则正常塞曼分裂A。=4.67x1(5?”,对于如此小的波数差，必须使用高分辨本领的光谱仪器，例如法布里一珀罗标准具。该仪器由固定间隔d的两块平行平晶构成，内表面均镀有高反射膜(反射系数R>0.9),因多光束干涉获得极高的分辨本领。满足干涉极大的两相邻光束的光程差为=2dcos。=版表征法一珀标准具的两个参量是自由光谱范围和分辨本领。(1)自由光谱范围所谓自由光谱范围即所能研究的最大光谱范围，它等于移动一个月时波长的改变。如以某单色光为基准，其自由光谱范围可表示为2=-2nd更有意义的是用波数来表示，则有v=1F2nd(3)即用波数表征的自由光谱范围是一仅与间隔厚度及间隔中介牛折射率有关的恒量。例如对于d=0.200cm的空气层，着1=5461A,则A=O.75v=2.5cmi,>(2)分辨本领按照瑞利判据，分辨本领d1由透射光强最大值的半宽度决定。透射光强"与反射系数R及两相邻光束的位相差b的关系称为爱里公式：(4)°(1-/?)2+4/?sin2(/2)(1R)?因而用位相表示的半宽度£,在考虑到RB1时有相应可分辨的频率间隔d”与自由光谱范围”二必刃之间的关系为dv，八=(6)v2所以分辨本领的表示式是_V_2v_2ndyRddvv(1-R)即分辨本领主要由反射系数R决定：R越高，分辨本领越大。例如d=0.200Cm的空气层，对;1=5461A,当R=O.9时，2J22.2×105,即对546IA能分辨的波长差为2.5×W2A,相应的波数差为8.4x10-2S,因此它完全满足实验的要求。2.CCD摄像器件、流磁场及稳流电源、亳特斯拉计、笔形汞灯、干涉滤色片(5461A).偏振片、显示器。二、实验原理处于电磁场中的发光体，光谱线发生分裂的现象，称为塞曼效应，其原理简述如下：1 .原子中的电子一方面绕核作轨道运动(用角动量外表征)，一方面本身做自旋运动(用角动量心表征)，将分别产生轨道磁矩”,和自旋磁矩§,它们与角动量的关系是：4和总合成总角动量Pj并分别绕PJ旋进,k与s合成总磁矩从，在.Pj延线上的分量j才是一个定向恒量。对多电子原子,由于角动量之间的相互作用，有1S耦合和力耦合，但大多数情况是1S耦合。对于两个电子，则有合成1；,S?合成S；1、S又合成J。因此4在P,延线上的分量4与乙的关系是：g称朗德因子。在1S耦合情形，它与1、S和J的关系是J(J÷1)÷S(S÷1)-1(1÷1)(10)27(7+1)由于1、S和J只能取整数和半整数，得出的g是一个简分数。2 .在外磁场作用下，产生原子磁矩与外磁场的相互耦合,赋予的耦合能量为bE=-jHcoSa=Mg1iH(11)式中8=也称玻尔磁子；M为磁量子数，是J在磁场方向上的量子化投影。由于J一定时，4;ZTnM取值为-J,-J+1,，J-I,J,即取2J+1个数值，所以在外磁场中每一个原子能级(由J表征,称精细结构能级)都分裂为2J+1个等间距的子能级(亦称磁能级)，其间距由朗德因子g表征。两精细能级中磁能级之间的跃迁得到塞曼效应观察到的分裂光谱线，用波数表示为：*VEa-E./一.，、eH八，一、，v=二>1=(M2g2-M1g1)-=M2g2-)1(12)che4加C式中1=*,称为洛伦兹单位。M的选择定则是4碗°AM=M2-M1=0,±1(13)脚标2、1分别代表始、终能级，充中M=0跃迁谱线称为乃分支线,M=±1跃迁谱线称为。分支线。3 .光的偏振与角动量守恒在微观领域中，光的偏振情况是与角动量相关联的，在跃迁过程中原子与光子组成的系统除能量守恒外还必须满足角动量守恒。M=O,说明原子跃迁时在磁场方向角动量不变，因此，光是沿磁场方向振动的线偏振光。M=±1,说明原子跃迁时在磁场方向角动量减少一个h,则光子获得在磁场方向的一个角动量h,因此沿磁场指向方向观察，为反时针的左旋圆偏振光同理AM=-I,可得顺时针的右旋圆偏振光。一。4 .若原子磁矩完全由轨道磁矩所贡献，即S=S2=O,g1=g2=t得到正常塞曼效应，波数差为vr=H=4.67X1H(cm-i)(14)4tzzc通常情况两种磁矩同时存在，即W=S2，则g和g2均不为1，称为反常塞曼效应，波数差为狂=(15)四、实验内容4；nnC1 .以磁场中心到CCD窗口中心的等高线为轴。暂不放置干涉滤色片，不开启CCD及显示器，光源通过乙以平行光入射法一珀标准具，出射光通过右成像于CCD光敏面。2 .调节法一珀标准具的平行度使两平晶平行，即调节法一珀的三个螺丝，使左右上下移动人眼对着法一珀看到的干涉条纹形状不变。3 .开启CCD和显示器，调节CCD上的平移微调机构至荧屏显示最佳成像状态，因汞灯是复色光源，荧屏呈亮而粗条纹。4 .放置5461A干涉滤色片，则荧屏呈现明细的法一珀干涉条纹。5 .开启磁场电源，观察荧屏上的分裂的，光和b光条纹随磁场的变化情况。6 .调节螺旋测微器使CCD沿垂直方向移动，则荧屏上条纹也相应移动。分别测量乃光和。光条纹的直径。注意：由于灯光和。光所加磁场不同，必须每测量一种成分后用亳斯特拉计测量光源处的磁场强度。五、实验数据处理及误差分析1、数据半径R1R2R3R4R5R6数据132.789155.244175.038286.865298.267309.496P-F：0.2cm磁场强度：1.08TM2g2-MIg1:0.492电子荷质比：1.732E11误差：1.597%2、误差分析a、B值是由多项式拟合而来的，误差较大。b外磁场影响。c、F-P标准具及其它光学器件的光学表面不干净。d、实验室其他光线影响。六、实验图像由实验结果画出Hg5461A塞曼效应跃迁能级图.M2g22O-2M2&33/2O-3/2-3M2g2-M1g1:-2,3/2,-1;-1/2,0,1/2；1,3/2,2M=M2-M:M=-1M=0M=+1
