塞曼效应实验报告

塞曼效应物理实验报告引言塞曼效应是指在外磁场存在时，原子或分子谱线发生的能级分裂现象。

它是经典电动力学和量子力学相结合的重要现象，对于理解物质的微观结构和性质具有重要意义。

本实验旨在通过观察氢原子光谱的塞曼效应，验证量子力学理论，并通过实验测定氢原子的g因子。

实验原理当外磁场B存在时，原子或分子的能级会发生塞曼分裂。

设原子核的自旋和电子的轨道角动量平行，则能级分裂的数量为2J+1，其中J表示总角动量。

能级分裂的能量差为ΔE= gμBm B，其中m表示角动量z方向的投影，B为外磁场强度。

对于氢原子来说，g因子g=2，μB为玻尔磁子。

所以，当外磁场B存在时，氢原子谱线会发生分裂，其中一条谱线的波长为λ'=λ+Δλ，另一条谱线的波长为λ''=λ-Δλ，其中λ是无外磁场时的波长，Δλ=(gμB/λ)B。

实验装置- 氢原子气体灯管- 磁铁- 光栅- CCD相机- 电源、电流表等其他实验用具实验步骤1. 将磁铁放置在氢原子气体灯管周围，调整磁场强度B，并确定方向。

2. 开启氢原子气体灯管，使其发出光线。

3. 将氢原子光线通过光栅，使其分散成光谱。

4. 通过CCD相机记录光谱图像。

5. 分析光谱图像，测量不同塞曼分裂的波长差。

数据处理与分析我们测量和记录了不同磁场强度下的氢原子光谱图像，并通过图像处理软件提取出塞曼分裂的主要峰的位置。

然后，通过测量两个峰的波长差Δλ，可以计算出塞曼分裂的能量差ΔE。

为了验证实验结果的准确性，我们对每个磁场强度下的ΔE进行了多次测量，并计算均值和标准差。

通过测量得到的数据，我们绘制了氢原子的塞曼分裂能级示意图，其中能级分裂的数量符合量子力学的预测。

我们还通过线性回归，求得氢原子的g因子，并与理论值进行对比。

结论通过实验观察到氢原子谱线的塞曼效应，验证了量子力学理论的正确性。

实验测得的氢原子的g因子结果与理论值吻合较好，证明了实验的可靠性和准确性。

此外，实验结果还进一步加深了对于塞曼效应和量子力学的理解。

塞曼效应一、实验目的1、研究塞曼分裂谱的特征2、学习应用塞曼效应测量电子的荷质比和研究原子能级结构的方法。

二、实验原理对于多电子原子，角动量之间的相互作用有LS 耦合模型和JJ 耦合某型。

对于LS 耦合，电子之间的轨道与轨道角动量的耦合作用及电子间自旋与自旋角动量的耦合作用强，而每个电子的轨道与自旋角动量耦合作用弱。

原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩。

总磁矩在磁场中受到力矩的作用而绕磁场方向旋进，可以证明旋进所引起的附加能量为 B Mg E B μ=∆ （1）其中M 为磁量子数，μB 为玻尔磁子，B 为磁感应强度，g 是朗德因子。

朗德因子g 表征原子的总磁矩和总角动量的关系，定义为 )1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g （2）其中L 为总轨道角动量量子数，S 为总自旋角动量量子数，J 为总角动量量子数。

磁量子数M 只能取J ，J-1，J-2，…，-J ，共（2J+1）个值，也即E ∆有（2J+1）个可能值。

这就是说，无磁场时的一个能级，在外磁场的作用下将分裂成（2J+1）个能级。

由式（1）还可以看到，分裂的能级是等间隔的，且能级间隔正比于外磁场B 以及朗德因子g 。

能级E 1和E 2之间的跃迁产生频率为v 的光，其中 12E E hv -=在磁场中，若上、下能级都发生分裂，新谱线的频率v ’满足B g M g M hv E E E E E E E E hv B μ)()()()()('112212121122-+=∆-∆+-=∆+-∆+= 即分裂后谱线与原谱线的频率差为 hBg M g M v v v B μ)('1122-=-=∆ （3）代入玻尔磁子mehB πμ4=，得到 B meg M g M v π4)(1122-=∆ （4） 等式两边同除以c ，可将式（4）表示为波数差的形式 B mceg M g M πσ4)(1122-=∆ （5） 令 mc eBL π4=则 L g M g M )(1122-=∆σ （6）其中L 称为洛伦兹单位，且 B L 467.0= 塞曼跃迁的选择定则为：1,0±=∆M当0=∆M ，为π成分，是振动方向平行于磁场的线偏振光，只在垂直于磁场的方向上才能观察到，平行于磁场的方向上观察不到，但当0=∆J 时，02=M 到01=M 的跃迁被禁止；当1±=∆M ，为σ成分，垂直于磁场观察时为振动垂直于磁场的线偏振光，沿磁场正向观察时，1+=∆M 为右旋圆偏振光，1-=∆M 为左旋圆偏振光。

1. 理解塞曼效应的基本原理，掌握塞曼效应的实验方法。

2. 掌握使用光栅摄谱仪、偏振片等实验仪器进行塞曼效应实验的操作技能。

3. 通过实验，观察和分析塞曼效应现象，验证塞曼效应的基本规律。

二、实验原理塞曼效应是指在外加磁场的作用下，原子光谱线发生分裂的现象。

当原子处于外磁场中时，其能级会发生分裂，导致光谱线发生偏转和分裂。

根据分裂情况，塞曼效应可分为三种类型：横向塞曼效应、纵向塞曼效应和混合塞曼效应。

横向塞曼效应：原子能级在垂直于外磁场方向的分量发生分裂，导致光谱线在横向发生偏转和分裂。

纵向塞曼效应：原子能级在平行于外磁场方向的分量发生分裂，导致光谱线在纵向发生偏转和分裂。

混合塞曼效应：原子能级在垂直和平行于外磁场方向的分量同时发生分裂，导致光谱线在横向和纵向同时发生偏转和分裂。

三、实验仪器与材料1. 光栅摄谱仪2. 偏振片3. 笔形汞灯4. 电磁铁装置5. 聚光透镜6. 546nm滤光片7. F-P标准具8. 成像物镜与测微目镜组合而成的测量望远镜9. 标准具间距（d=2mm）10. 实验台1. 准备实验仪器，检查各部件是否完好，连接线路无误。

2. 将光栅摄谱仪、偏振片、笔形汞灯、电磁铁装置等实验仪器安装在实验台上，调整各仪器至合适位置。

3. 打开电磁铁电源，调整电流，使电磁铁产生所需的外加磁场。

4. 将笔形汞灯放置在实验台上，调整光路，使光束通过偏振片、546nm滤光片、F-P标准具等部件。

5. 调整F-P标准具的间距，观察光束在标准具内多次反射后形成的干涉条纹。

6. 逐渐调整电磁铁电流，观察光谱线的分裂情况，记录分裂条纹的间距、偏转角度等数据。

7. 重复实验，改变电磁铁电流，观察光谱线的分裂情况，记录数据。

8. 分析实验数据，验证塞曼效应的基本规律。

五、实验数据及处理1. 记录不同电磁铁电流下，光谱线的分裂条纹间距、偏转角度等数据。

2. 对实验数据进行处理，计算分裂条纹间距与电磁铁电流的关系，分析塞曼效应的规律。

塞曼效应实验报告塞曼效应实验报告引言：塞曼效应是物理学中的一个重要现象，它揭示了原子和分子在磁场中的行为。

本实验旨在通过观察和分析塞曼效应，深入了解原子和分子的磁性质，并探索其在科学研究和应用领域的潜在价值。

实验装置：本实验所使用的装置主要包括：磁场产生装置、光源、光栅、光电探测器等。

其中，磁场产生装置通过电流在线圈中产生磁场，光源发出一束光线，经过光栅分解成多条光谱线，最后由光电探测器接收并转化为电信号。

实验步骤：1. 首先，将磁场产生装置放置在实验台上，并通过电源调节线圈中的电流，使得磁场强度达到所需的数值。

2. 将光源对准光栅，确保光线垂直入射，并调节光源的亮度，使得光线足够明亮。

3. 调整光栅的角度，使得光线经过光栅后分解成多条光谱线。

4. 将光电探测器放置在光谱线的路径上，并连接到示波器上，以观察电信号的变化。

5. 在无磁场的情况下，记录下光电探测器接收到的电信号的强度，并作为基准值。

6. 开启磁场产生装置，调节电流，使得磁场强度逐渐增大。

观察并记录下光电探测器接收到的电信号的变化情况。

实验结果与分析：在实验中，我们观察到了明显的塞曼效应。

当磁场强度逐渐增大时，光电探测器接收到的电信号发生了明显的变化。

这是因为原子和分子在磁场中会发生能级的分裂，导致光谱线的位置发生变化。

通过对实验数据的分析，我们可以得出以下结论：1. 塞曼效应的大小与磁场强度成正比。

当磁场强度增大时，塞曼效应的程度也随之增加。

这与塞曼效应的理论预测相符。

2. 塞曼效应的方向与磁场方向有关。

根据实验结果，我们可以确定光谱线的分裂方向与磁场方向垂直。

这是因为原子和分子在磁场中会受到洛伦兹力的作用，使得能级分裂成多个子能级。

3. 塞曼效应的大小与原子或分子的性质有关。

不同的原子或分子在磁场中会产生不同程度的塞曼效应。

这是由于不同原子或分子的磁矩不同，从而导致其在磁场中的行为差异。

实验应用：塞曼效应在科学研究和应用领域具有广泛的应用价值。

1、前言和实验目的1.了解和掌握WPZ-Ⅲ型塞曼效应仪和利用其研究谱线的精细结构。

2.了解法布里-珀罗干涉仪的的结构和原理及利用它测量微小波长差值。

3.观察汞546.1nm （绿色）光谱线的塞曼效应，测量它分裂的波长差，并计算电子的荷质比的实验值和标准值比较。

2、实验原理处于磁场中的原子，由于电子的j m 不同而引起能级的分裂，导致跃迁时发出的光子的频率产生分裂的现象就成为塞曼效应。

下面具体给出公式推导处于弱磁场作用下的电子跃迁所带来的能级分裂大小。

总磁矩为J μ 的原子体系，在外磁场为B 中具有的附加能为：E ∆= -J μ*B由于我们考虑的是反常塞曼效应，即磁场为弱磁场，认为不足以破坏电子的轨道-自旋耦合。

则我们有：E ∆= -z μB =B g m B J J μ其中z μ为J μ在z 方向投影，J m 为角动量J 在z 方向投影的磁量子数，有12+J 个值，B μ=em ehπ4称为玻尔磁子，J g 为朗德因子，其值为 J g =)1(2)1()1()1(1++++-++J J S S L L J J由于J m 有12+J 个值，所以处于磁场中将分裂为12+J 个能级，能级间隔为B g B J μ。

当没有磁场时，能级处于简并态，电子的态由n,l,j （n,l,s ）确定，跃迁的选择定则为Δs=0, Δl=1±.而处于磁场中时，电子的态由n,l,j,J m ，选择定则为Δs=0，Δl=1±，1±=∆j m 。

磁场作用下能级之间的跃迁发出的谱线频率变为：)()(1122'E E E E hv ∆+-∆+==h ν+(1122g m g m -)B μB分裂的谱线与原谱线的频率差ν∆为：ν∆='ν-ν=h B g m g m B /)(1122μ-、 λ∆=cνλ∆2=2λ (1122g m g m -)B μB /hc =2λ (1122g m g m -)L ~式中L ~=hc B B μ=ecm eB π4≈B 467.0称为洛仑兹单位（裂距单位）。

南昌大学物理实验报告学生姓名： 学号： 5502210039 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩：塞曼效应一、实验目的1．观察塞曼效应现象，把实验结果与理论结果进行比较。

2．学习观测塞曼效应的实验方法。

3．计算电子核质比。

二、实验仪器WPZ —Ⅲ型塞曼效应实验仪三、实验原理塞曼效应：在外磁场作用下，由于原子磁矩与磁场相互作用，使原子能级产生分裂。

垂直于磁场观察时，产生线偏振光（π线和σ线）；平行于磁场观察时，产生圆偏振光（左旋、右旋）。

按照半经典模型，质量为m ，电量为e 的电子绕原子核转动，因此，原子具有一定的磁矩，它在外磁场B 中会获得一定的磁相互作用能E ∆，由于原子的磁矩J μ与总角动量J P 的关系为 2J J egP mμ=（1） 其中g 为朗德因子，与原子中所有电子德轨道和自旋角动量如何耦合成整个原子态的角动量密切相关。

因此，cos cos 2J J eE B g P B mμαα∆=-=-（2） 其中α是磁矩与外加磁场的夹角。

又由于电子角动量空间取向的量子化，这种磁相互作用能只能取有限个分立的值，且电子的磁矩与总角动量的方向相反，因此在外磁场方向上， cos ,,1,,2J hP MM J J J απ-==--（3）南昌大学物理实验报告学生姓名： 刘惠文 学号： 5502210039 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩：式中h 是普朗克常量，J 是电子的总角动量，M 是磁量子数。

设：4B hemμπ=，称为玻尔磁子，0E 为未加磁场时原子的能量，则原子在外在磁场中的总能量为 00B E E E E Mg B μ=+∆=+（4）由于朗德因子g 与原子中所有电子角动量的耦合有关，因此，不同的角动量耦合方式其表达式和数值完全不同。

在L S -耦合的情况下，设原子中电子轨道运动和自旋运动的总磁矩、总角动量及其量子数分别为L μ、L P 、L 和S μ、S P 、S ，它们的关系为(1),222L L e e hP L L m m μπ==+（5）(1),2S S e e hP S S m m μπ==+（6）设J P 与L P 和S P 的夹角分别为LJ α和SJ α，根据矢量合成原理，只要将二者在J μ方向的投影相加即可得到形如（1）式的总电子磁矩和总轨道角动量的关系：2222222222cos cos (cos 2cos )2(2)222(1)222J L LJ S SJL LJ S SJ J L S J L S J J J L S JJ J eP P mP P P P P P e m P P P P P e P P m e gP mμμαμααα=+=++--+=+-+=+=（7） 其中朗德因子为 (1)(1)(1)1.2(1)J J L L S S g J J +-+++=++（8）由（＊）式中可以看出，由于M 共有（2J ＋1）个值，所以原子的这个能级在南昌大学物理实验报告学生姓名： 刘惠文 学号： 5502210039 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩：外磁场作用下将会分裂为（2J ＋1）个能级，相邻两能级间隔为B g B μ。

一、实验目的1. 深入理解原子磁矩及其空间取向量子化等原子物理学概念。

2. 学习法布里-珀罗标准具（F-P标准具）的使用及其在光谱学中的应用。

3. 掌握利用塞曼效应实验测量电子荷质比的方法。

二、实验原理1. 塞曼效应简介塞曼效应是指在外加磁场作用下，原子光谱线发生分裂的现象。

该效应最早由荷兰物理学家塞曼于1896年发现，并在1902年与洛伦兹一起获得诺贝尔物理学奖。

塞曼效应的发现为研究原子结构、电子角动量和量子力学等领域提供了重要依据。

2. 原子磁矩和角动量关系原子中的电子具有轨道运动和自旋运动，相应地产生轨道磁矩和自旋磁矩。

原子磁矩与总角动量J的关系为：μ = gμB J其中，μ为磁矩，gμB为朗德因子，J为总角动量。

3. 原子在外磁场中的能级分裂在外磁场作用下，原子能级发生分裂。

能级分裂情况取决于外磁场强度、朗德因子以及总角动量量子数。

分裂后的能级频率与原能级频率之间的关系为：ν' = (gμB M) / h其中，ν'为分裂后能级频率，M为磁量子数，h为普朗克常数。

4. 塞曼效应实验原理本实验采用法布里-珀罗标准具观察汞原子546.1nm谱线的塞曼效应。

当汞原子受到外磁场作用时，其546.1nm谱线发生分裂，形成多条光谱线。

通过测量这些光谱线的频率和波长，可以计算出磁感应强度B。

三、实验仪器与设备1. 汞灯：提供实验所需的汞原子光源。

2. 聚光透镜：将汞灯发出的光聚焦到F-P标准具上。

3. F-P标准具：用于观察汞原子546.1nm谱线的塞曼效应。

4. 偏振片：用于调节光线的偏振方向。

5. 滤光片：用于选择汞原子546.1nm谱线。

6. 成像透镜：将F-P标准具成像到望远镜中。

7. 望远镜：用于观察和测量光谱线。

8. 特斯拉计：用于测量磁感应强度。

四、实验步骤1. 调节实验装置，使汞灯发出的光通过聚光透镜、F-P标准具、偏振片、滤光片后成像到望远镜中。

2. 在无外磁场的情况下，观察并记录汞原子546.1nm谱线的位置和强度。

一、实验目的1. 通过实验观察塞曼效应现象，加深对原子物理中塞曼效应理论的理解。

2. 掌握使用光栅摄谱仪、偏振片等实验仪器的操作方法。

3. 通过实验测定电子的荷质比，验证量子力学的基本原理。

二、实验原理塞曼效应是指当原子处于外磁场中时，其能级发生分裂的现象。

根据量子力学理论，电子在外磁场中的运动受到磁矩与磁场相互作用的约束，导致能级分裂。

实验中，通过观察汞谱线的塞曼分裂，可以测定电子的荷质比，并验证量子力学的基本原理。

三、实验仪器1. 光栅摄谱仪2. 偏振片3. 汞灯4. 电磁铁5. 聚光透镜6. 546nm滤光片7. 记录仪四、实验步骤1. 将汞灯放置在光栅摄谱仪的入射光路中，调节光栅和汞灯的位置，使汞灯发出的光通过光栅。

2. 在光栅摄谱仪的出射光路中，放置偏振片，调节其角度，观察偏振光的性质。

3. 将汞灯放置在电磁铁的磁场中，调节电磁铁的电流，使磁场强度逐渐增大。

4. 观察汞灯发出的光谱线，记录其位置和亮度变化。

5. 改变电磁铁的电流，重复上述步骤，观察光谱线的分裂情况。

6. 利用记录仪记录光谱线的位置和亮度变化，绘制塞曼分裂谱线图。

五、实验结果与分析1. 观察到汞灯发出的光谱线在电磁铁的磁场中发生分裂，分裂的条数随磁场强度的增大而增加。

2. 根据塞曼效应理论，分裂的条数与能级分裂的数目相等。

通过计算分裂的条数，可以推算出电子的荷质比。

3. 通过实验测定的电子荷质比与理论值相符，验证了量子力学的基本原理。

六、实验讨论1. 实验过程中，电磁铁的磁场强度对塞曼效应的影响较大。

在实验过程中，应严格控制电磁铁的电流，以保证实验结果的准确性。

2. 在实验过程中，观察光谱线时，应注意观察其位置和亮度变化，以便准确记录实验数据。

3. 实验过程中，应保持实验环境的清洁和稳定，以减小外界因素对实验结果的影响。

七、结论通过本次实验，我们成功观察到了塞曼效应现象，并利用实验数据测定了电子的荷质比。

实验结果表明，量子力学的基本原理在原子物理中得到了验证。

塞曼效应实验一、 实验目的1、理解塞曼效应的相关理论，观察汞546.1nm 谱线在磁场中分裂的情况，加深对原子结构的认识。

2、掌握法布里—珀罗(F P -)标准具的干涉原理及其调整方法。

3、测量汞谱线在磁场中分裂的裂距，并计算出电子荷质比e/m 的值。

二、 实验仪器电磁铁、笔形汞灯、聚光透镜、法布里－珀罗标准具、偏振片、滤光片、读数显微镜、高斯计三、 实验原理1、法布里—珀罗标准具（1）法布里—珀罗标准具的原理及性能构成：F-P 标准具由两块平面玻璃板中间夹一个间隔圈组成。

平面玻璃内表面有高反射膜，间隔圈精加工成一定厚度使两玻璃板平行。

原理：单色光在F-P 标准具中产生干涉，光程差2cos l nd θ∆= 。

所有的平行光束都在透镜焦平面上形成干涉条纹，形成干涉极大亮条纹条件2cos d k θλ=性能：不同的K 对应不同的θ。

如果采用扩展光源照明，F P -标准具产生等倾干涉，花纹是一组同心圆环。

（2）法布里—珀罗标准具的调节调节的目的就是使两个内表面平行，通过旋紧或者旋松调节，直到移动过程中无冒环或吸坏的现象就可以观察。

2、原理解释加入外磁场后，系统总能量增加朗德因子与J 、S 、 L 有关，一个J 对应着M=J,J-1,...,-J,所以磁场中每个能12341'2'3'4'图6.1级分裂为2J+1个子能级。

相邻能级间隔为4B ehgB g B mμπ= E 2跃迁到E 1，产生频率为ν的光谱线21h E E ν=-在外磁场作用下，上下两能级各获得附加能量2E ∆，1E ∆，因此，每个能级各分裂)12(2+J 个和)1(21+J 个子能级。

用F P -标准具求波数差，根据图6.4几何关系可得22cos 18D fθ=-将上式带入式（ 6.2）可得222[1]8D d k f λ-=对同一波长λ的相邻第k 和第1k -级两个圆环，其直径的平方差为222(1),,4k k f D Ddλλλ--=直径的平方差是一个与干涉级次k 无关的常量。

一、实验目的1. 理解塞曼效应的原理和现象；2. 通过实验观察塞曼效应，验证其存在；3. 学习光栅摄谱仪的使用方法；4. 掌握数据处理和误差分析的方法。

二、实验原理塞曼效应是指在外加磁场作用下，原子或分子的光谱线发生分裂的现象。

塞曼效应的发现对研究原子结构和电子角动量有重要意义。

本实验采用光栅摄谱仪观察汞原子谱线的分裂情况，以此对外加磁感应强度进行估测。

根据量子力学理论，原子中的电子具有轨道角动量L和自旋角动量S，两者耦合形成总角动量J。

原子总磁矩与总角动量不共线，在外加磁场作用下，总磁矩与磁场有相互作用，导致能级发生分裂。

三、实验仪器与材料1. 光栅摄谱仪；2. 阿贝比长仪；3. 汞原子光源；4. 电磁铁装置；5. 望远镜；6. 测微目镜；7. 数据采集卡；8. 计算机。

四、实验步骤1. 将汞原子光源、电磁铁装置和光栅摄谱仪连接好；2. 调节光栅摄谱仪，使汞原子光源发出的光通过光栅后成像于望远镜；3. 将电磁铁装置通电，产生外加磁场；4. 观察并记录汞原子谱线的分裂情况；5. 关闭电磁铁装置，重复实验步骤，观察无外加磁场时的谱线情况；6. 对比两组数据，分析塞曼效应的存在；7. 使用阿贝比长仪测量光栅常数；8. 根据光栅摄谱仪的成像原理和能级分裂公式，计算外加磁感应强度。

五、实验结果与分析1. 实验现象：在外加磁场作用下，汞原子谱线发生分裂，形成若干条偏振的谱线；2. 数据处理：根据光栅摄谱仪的成像原理和能级分裂公式，计算外加磁感应强度；3. 误差分析：分析实验过程中可能存在的误差来源，如光栅常数测量误差、光栅角度测量误差等；4. 结果验证：将实验结果与理论值进行对比，验证塞曼效应的存在。

六、实验总结1. 本实验成功观察到了塞曼效应，验证了其存在；2. 通过实验，掌握了光栅摄谱仪的使用方法；3. 学会了数据处理和误差分析的方法；4. 对原子结构和电子角动量的研究有了更深入的了解。

七、实验拓展1. 研究不同磁场强度下塞曼效应的变化规律；2. 观察其他元素原子的塞曼效应；3. 研究塞曼效应在激光技术、天体物理等领域的应用。