观察塞曼效应

实验一 塞 曼 效 应

塞曼效应实验是近代物理中的一个重要实验，它证实了原子具有磁矩和空间量子

化，可由实验结果确定有关原子能级的几个量子数如M，J和g因子的值，有力地证明

了电子自旋理论，各高等院校都普遍开设了此实验。

传统的塞曼效应实验手段，例如照相干版法，目镜观测法，CCD摄像头观测法等，

都有其难以克服的局限性：面阵CCD(摄像头+图像卡)在观测上的引入在一定程度上缓

解了上述矛盾，但它的空间分辨率较低，幅度分辨率只有1／256(8位量化)，因而图像

粗糙，实验精度较低，并且操作上还需要定圆心，人为修正等烦锁的操作。由此，我们

推出了线阵CCD的解决方案，利用分裂圆环的光强分布曲线来显示和测量塞曼效应，

甚至可同屏显示分裂前、光和光曲线，不仅物理内涵丰富，也更易学生理解和掌握，

同时，线阵CCD微米级的空间分辨率、12位量化4096级的幅度分辨率，使实验精度

大为提高，操作上也无需定圆心，人为修正等处理。

本实验由硬件和软件（祥看说明书）两部分组成。

本套仪器的硬件部分主要由三个部分组成：CCD采集盒、计算机数据采集盒和成像透镜部分。

各部分连接示意图图1如下：

图1仪器的硬件部分组成

1． CCD采集盒的核心器件是一个数千像元的CCD线阵，它可以将照射在其上的光强信号转化为模拟电信号，实时送往计算机数据采集盒。每一个CCD线阵具体的指标参数，请详见其CCD采集盒上的铭牌。

2． 计算机数据采集盒将由CCD采集盒送来的光强模拟电信号经12位A／D转换后量化为4096级数字信号，交给ZEEMAN软件处理。它通过USB接口与计算机相连。

3．成像透镜部分由遮光罩和成像透镜组成。前端仪器产生的光信号经过成像透镜会聚，在CCD线阵上产生实像，从而进行光／电变换。

一、 实验目的

1．掌握塞曼效应理论，确定能级的量子数与朗德因子，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；

一、实验目的与实验仪器

1. 实验目的

（1）学习观察塞曼效应的方法，通过塞曼效应测量磁感应强度的大小。

（2）学习一种测量电子荷质比的方法。

2.实验仪器

笔形汞灯+电磁铁装置，聚光透镜，偏振片，546nm滤光片，F-P标准具，标准具间距（d=2mm），成像物镜与测微目镜组合而成的测量望远镜。

二、实验原理

（要求与提示：限400字以内，实验原理图须用手绘后贴图的方式）

1.塞曼效应

（1）原子磁矩和角动量关系

用角动量来描述电子的轨道运动和自旋运动，原子中各电子轨道运动角动量的矢量和即原子的轨道角动量L，考虑L-S耦合（轨道-自旋耦合），原子的角动量J=L+S。量子力学理论给出各磁矩与角动量的关系：

L= - L， L=

S = - S， S=

由上式可知，原子总磁矩和总角动量不共线。则原子总磁矩在总角动量方向上的分量J为：

J = gJ， J=

L为表示原子的轨道角量子数，取值：0，1，2…

S为原子的自旋角量子数，取值：0,1/2,1,3/2，2,5/2…

J为原子的总角量子数，取值：0,1/2,1,3/2… 塞曼效应 实验报告 式中，g=1+为朗德因子。

（2）原子在外磁场中的能级分裂

外磁场存在时，与角动量平行的磁矩分量J与磁场有相互作用，与角动量垂直的磁矩分量与磁场无相互作用。由于角动量的取向是量子化的，J在任意方向的投影(如z方向)为：

= M，M=-J,-(J-1),-(J-2),…,J-2,J-1,J

因此，原子磁矩也是量子化的，在任意方向的投影(如z方向)为：

=-Mg

式中，玻尔磁子μB =，M为磁量子数。

具有磁矩为J的原子，在外磁场中具有的势能（原子在外磁场中获得的附加能量）：

ΔE = -J·= MgB

则根据M的取值规律，磁矩在空间有几个量子化取值，则在外场中每一个能级都分裂为等间隔的（2J+1）个塞曼子能级。原子发光过程中，原来两能级之间电子跃迁产生的一条光谱线也分裂成几条光谱线。这个现象叫塞曼效应。

实验三 塞曼效应

实验目的：

1．观察汞5461埃光谱线的塞曼效应，并测量它分裂的波长差。

2．测定电子的荷质比e/m值。

实验原理：

当光源置于外磁场中，光源发出的每一条光谱线都将分裂成几条波长相差很小的偏振化分谱线，这一现象称为塞曼效应。

设原子某一能级的能量为E0，在磁感应强度为B的外磁场的作用下，原子将获得附加的能量E：

E=MgBB

M为磁量子。M=J,J-1,…..,-J,共有(2J+1)个值。因此，原来的一个能级将分裂成(2J+1)个子能级。子能级的间隔相等，并正比于B和朗德因子g，对于L-S耦合的情况：

g=1+)1(2)1()1()1(JJLLSSJJ

式中B为玻尔磁子，B=mhe4。

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（h= E2- E1），在外磁场的作用下，上下两能级各获得附加能量E2，E1，因此，每个能级各分裂成（2J2+1）个和（2J1+1）个子能级。这样，上下两个子能级之间的跃迁，将发出频率为的谱线，并有

h=（E2+E2）-（ E1+E1）

= （E2- E1）+（E2-E1）

= h+（M2g2- M1g1）BB

分裂后的谱线与原谱线的频率差将为

=（M2g2- M1g1）BB/hc =（M2g2- M1g1）L

其中L=BB/hc=4.67*105B(cm1)

L称为洛仑兹单位，正是正常塞曼效应所分裂的裂距。

在能级跃迁时，磁量子数受到选择性定则和偏振定则所限制。

1.选择性定则：M =M2- M1=0（当J=0 M1=0 M2=0 被禁止）

M=1

2.偏振性定则：

方向

跃迁 K 垂直H

横向塞曼效应 K平行H

纵向塞曼效应

M=0 直线偏振，成分 无光

M=+1 直线偏振，成分 右旋圆偏振

第 1 页 共 12 页 塞曼效应

塞曼效应是指原子在外磁场中发光谱线发生分裂且偏振的现象称为塞曼效应;历史上首先观测到并给予理论解释的是谱线一分为三的现象,后来又发现了较三分裂现象更为复杂的难以解释的情况，因此称前者为正常或简单塞曼效应,后者为反常或复杂塞曼效应。

原理简介

荷兰物理学家塞曼在1896年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体使光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。

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。

1902年，塞曼与洛仑兹因这一发现共同获得了诺贝尔物理学奖(以表彰他们研究磁场对光的效应所作的特殊贡献)。 第 2 页 共 12 页 详细内容

塞曼效应，英文:Zeeman effect,是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的.他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂。随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成3条的原因。这种现象称为“塞曼效应”。进一步的研究发现，很多原子的光谱在磁场中的分裂情况非常复杂，称为反常塞曼效应。完整解释塞曼效应需要用到量子力学，电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取向是量子化的，磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。在外磁场中，总自旋为零的原子表现出正常塞曼效应，总自旋不为零的原子表现出反常塞曼效应。塞曼效应是继1845年法拉第效应和1875年克尔效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例。塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场。