塞曼效应(大学近代物理实验)

实验 七 塞曼效应实验英国物理学家法拉第(M ．Faraday)在1862年做了他最后的一个实验，即研究磁场对光源的影响的实验。

当时由于磁场不强，分光仪器的分辨率也不大，所以没有观测到在磁场作用下光源所发出的光的变化。

34年后，1896年荷兰物理学家塞曼(P ．Zeeman)在莱顿大学重做这个实验，他在电磁铁的磁极间将食盐(NaCl)放入火焰中燃烧发出的钠光，用3米凹面光栅(473条／毫米)摄谱仪去观察钠的两条黄线。

他发现在磁场的作用下，谱线变宽(如果磁场再强些或摄谱仪的分辨率再高些，就能看到谱线分裂)，这一现象称为塞曼效应。

当时原子结构的量子理论尚未产生，洛仑兹用经典的电子理论对这一现象进行了理论计算，得出所谓正常塞曼效应的结果，即当光源在外磁场的作用下，一条谱线将分裂成三条(垂直于磁场方向观察)和二条(平行于磁场方向观察)偏振化的分谱线。

当实验条件进一步改善以后，发现多数光谱线并不遵从正常塞曼效应的规律，而具有更为复杂的塞曼分裂。

这现象在以后的30年间一直困扰着物理学界，从而被称为反常塞曼效应。

1925年乌仑贝克和古兹米特为了解释反常塞曼效应和光谱线的双线结构，提出了电子自旋的假设。

应用这一假设能很好地解释反常塞曼效应。

也可以说：反常塞曼效应是电子自旋假设的有力根据之一。

普列斯顿(Preston)对塞曼效应实验的结果进行了深入研究，1898年发表了普列斯顿定则。

即同一类型的线系，具有相同的塞曼分裂。

龙格(Runge)和帕邢(Paschen)也进行了大量的实验研究，1907年发表了龙格定则。

即将所有塞曼分裂的图象，都可用正常塞曼效应所分裂的大小(做为一个洛仑兹单位)的有理分数来表示(见附注一)从他归纳钩结果中可以一目了然地看到所有塞曼分裂的图象和规律。

综上所述。

反常塞曼效应的研究推动了量子理论的发展和实验手段的进步，近年来在原子吸收光谱分析中用它来扣除背景，以提高分析的精度。

该实验证实了原子具有磁矩、自旋磁矩和空间量子化，迄今仍是研究原子能级结构的重要手段之一。

近代物理实验——塞曼效应实验一、实验简介如果把光源置于足够强的磁场中，则光源发出的大部分单色光都分裂为若干条偏振的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同。

这种现象被称为塞曼效应。

塞曼效应是1896年荷兰物理学家塞曼发现的，洛伦兹对此作出了令人满意的解释。

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的信息有重要的作用，因此，两人于1902年获得了诺贝尔物理学奖。

本实验将采用光栅摄谱仪的方法来研究这一现象。

二、实验目的1.观察塞曼效应；2.利用塞曼裂矩，计算电子的质核比e/m e；三、实验原理1.塞曼效应概念：将光源放到磁场中，观察到光谱线发生分裂。

原因是原子的能级发生了分裂，根据原子物理学知识，原子中的电子在磁场中的附加能量为：∆E=MgμB B其中g是朗德因子：g=1+J(j+1)−L(L+!)+S(S+1)2J(J+1)2.能级E1与E2之间的跃迁如果产生频率为γ的光，在磁场中上下能级都发生分裂，分裂后的谱线与原谱线的频率差为：∆γ=(m2g2−M1g1)μB B/ℎ其中μB是玻尔磁子：μB=eℎ4πm 得：∆γ=（m2g2−M1g1）eℎ4πmB用波数差表示为：∆σ=（m2g2−M1g1）e4πmcB导出电子的荷质比为：em =()22114cm g m gπσ∆-(em理论值是1.76*1011C/kg）3．观察塞曼效应的方法：F-P标准具光路图，标准具由两块平板玻璃构成，形成干涉极大的条件是：2ndcosθ=kλ（一组同心圆）由于tanθ=D2⁄f，在θ很小时：θ=sinθ=tanθ所以cosθ=1−2sin2θ2=1−12tan2θ=1−D28f2最后推导出波数差： ∆σ=12d （D b2−Da2D k−12−Dk2）含义：Dk与Dk-1是分裂前相邻两个圆环的直径，Db与Da是分裂后同一级次两个圆环的直径（注意计算中∆σ的单位是cm-1）磁感应强度：B=1.2T四、实验仪器摄谱仪、Fe弧光源、Hg放电管五、实验内容1.摄谱和反射镜Bs在摄（1）调整外光路，使得汞放电管发出的光辐射经透镜L1谱仪入射狭缝上成像。

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、π光和σ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；3．熟练掌握光路的调节：4．了解线阵CCD器件的原理和应用。

广东第二师范学院实验预习报告
μ（见图1。

总轨道磁矩L μ与总轨道角动量L P 的关系为：;2L L P m
= 与总自旋角动量S P 的关系为：S S S P m
m
μ=
与总角动量J P 不共线，平行的分量J μμ≡和垂直的分量J P 旋进时μ的平均为零，因此原子的有效磁矩是μ，它与J P 2J J g
m
μ= 为总轨道角动量量子数，S 为总自旋量子数，
cos e
B B g
P B μβ⋅=- 在磁场中的取向（投影）是量子化的，即： cos ,J P M 为磁量子数。

因此， B 'ν表示为：
22'(M g ν='ν
10m，欲观察如此小的波长差，普通棱镜必须使用高分辨本领的光谱仪器。

因此，我们在实验中采用高分辨率仪器，即法布
ν
'
图7分裂后π成分实拍图
()()
22'2'2221'4()
b
a b a k k D D D D d D D ν--+-=
-
思考与讨论：
，。

一、实验目的1. 观察并记录塞曼效应现象，理解其产生原理。

2. 学习并掌握利用塞曼效应测量电子荷质比的方法。

3. 理解塞曼效应在原子结构、分子结构等方面的应用。

二、实验原理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。

根据半经典模型，电子在原子中具有轨道角动量和自旋角动量，两者合成总角动量。

当原子处于外磁场中时，总角动量与磁矩相互作用，导致能级分裂。

根据量子力学理论，电子在原子中具有轨道角动量量子数l、自旋角动量量子数s 和总角动量量子数j。

在外磁场作用下，总角动量与磁矩相互作用，导致能级分裂成(2j+1)个能级。

能级分裂的能量差ΔE与磁感应强度B、玻尔磁子μB和朗德因子g有关，即ΔE = gjμBB。

实验中，通过观察光谱线的分裂情况，可以测量磁感应强度B、电子荷质比等物理量。

三、实验仪器与设备1. 光谱仪：用于观察原子光谱。

2. 磁场发生器：用于产生外磁场。

3. 电源：为磁场发生器提供电源。

4. 计算器：用于计算数据。

四、实验步骤1. 将原子气体充入光谱仪，调整光谱仪使其对准原子气体。

2. 打开磁场发生器，调节磁场强度，观察光谱线的分裂情况。

3. 记录不同磁场强度下的光谱线分裂数据。

4. 根据实验数据，计算磁感应强度B、电子荷质比等物理量。

五、实验结果与分析1. 观察到在外磁场作用下，原子光谱线发生分裂，分裂成若干条偏振谱线。

2. 根据实验数据，计算得到磁感应强度B和电子荷质比。

（此处省略具体计算过程和结果）六、实验结论1. 通过实验验证了塞曼效应现象，理解了其产生原理。

2. 学会了利用塞曼效应测量电子荷质比的方法。

3. 理解了塞曼效应在原子结构、分子结构等方面的应用。

七、实验注意事项1. 实验过程中，注意安全，避免磁场对人体的危害。

2. 调节磁场强度时，要缓慢进行，避免磁场突变对实验结果的影响。

3. 记录实验数据时，要准确无误。

八、实验总结本实验通过观察塞曼效应现象，掌握了利用塞曼效应测量电子荷质比的方法。

第1篇一、实验背景塞曼效应是指在外磁场作用下，原子光谱线发生分裂的现象。

该效应是量子力学和原子物理学中的一个重要实验，通过观察和分析塞曼效应，可以研究原子的能级结构、电子的角动量和自旋等基本物理量。

本实验旨在通过实验验证塞曼效应，并分析实验过程中可能出现的误差。

二、实验原理1. 塞曼效应的原理当原子置于外磁场中时，原子内部电子的轨道角动量和自旋角动量会相互作用，产生总角动量。

总角动量在外磁场中具有量子化的取向，导致原子能级发生分裂，从而产生塞曼效应。

2. 塞曼效应的能级分裂根据量子力学理论，原子在外磁场中的能级分裂可表示为：ΔE = -μB·g·J(J+1)其中，ΔE为能级分裂能量，μB为玻尔磁子，g为朗德因子，J为总角量子数。

三、实验方法1. 实验仪器本实验采用光栅摄谱仪、电磁铁、聚光透镜、偏振片、546nm滤光片、F-P标准具等仪器。

2. 实验步骤（1）将光栅摄谱仪调整至最佳状态，确保光谱清晰。

（2）将电磁铁的磁场强度调整至预定值。

（3）将汞灯发射的光通过546nm滤光片，使其成为单色光。

（4）将单色光通过电磁铁，使其在磁场中发生塞曼效应。

（5）通过光栅摄谱仪观察和记录塞曼效应的分裂谱线。

（6）调整电磁铁的磁场强度，重复实验步骤，记录不同磁场强度下的分裂谱线。

四、实验结果与分析1. 实验结果通过实验，我们观察到汞原子546.1nm谱线在磁场中发生了分裂，分裂谱线的条数与磁场强度有关。

2. 误差分析（1）系统误差1）仪器误差：光栅摄谱仪、电磁铁等仪器的精度和稳定性会影响实验结果，导致系统误差。

2）环境误差：实验过程中，环境温度、湿度等因素的变化也会对实验结果产生一定影响。

（2）随机误差1）人为误差：实验操作过程中，如调整仪器、记录数据等环节，可能存在人为误差。

2）测量误差：测量磁场强度、光谱线强度等物理量时，可能存在测量误差。

（3）数据处理误差1）谱线识别误差：在观察和分析分裂谱线时，可能存在谱线识别误差。

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：班级： 姓名： 同组者： 教师：塞曼效应实验【实验目的】1、观测塞曼效应，把实验结果与理论结果进行比较。

2、学习测量塞曼效应的实验方法。

3、测量在磁场中谱线裂距并计算荷质比。

【实验原理】1、 谱线在磁场中的塞曼分裂原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩。

总磁矩在磁场中将受到力矩的作 用而绕磁场方向旋进。

旋进所引起的附加能量为B Mg E B μ=∆ （1—1）其中M 为磁量子数，B μ为波尔磁子，B 为磁感应强度，g 为朗德因子。

无磁场时的一个能级， 在外磁场的作用下将分裂成（2J+1）个等间隔的子能级，能级间距为B Mg B μ。

无外磁场时，能级E1和E2之间的跃迁产生频率为ν的光，即 12E -E h =ν。

而在磁场中， 能级E1和E2都发生分裂，一条光谱线将变为几条光谱线。

如果是分裂为三条，称为正常塞曼效应，多于三条的称为反常塞曼效应。

新谱线的频率ν'与能级的关系为 ）E E （-）E E （h 1122∆+∆+='ν B ）g M -g M （h B 1122μν+= （1—2） 代入波尔磁子11B 7.46B mc4eBL 以及洛仑兹单位m 4he --∙⨯===T m ππμ，则用波数表示为 L ）g M -g M （1122=∆ν （1—3）有塞曼跃迁的选择定则：1，0M ±=∆。

2、 观测塞曼分裂的方法本实验中，我们采用法布里-波罗标准具，其简称F-P 标准具。

（1）F-P 标准具的结构和性能F-P 标准具的光路如图1—1所示。

自扩展光源S 上任一点发出的单色光射到标准具板的 平行平面上，经过M1和M2表面的多次反射 和透射，分别形成一系列相互平行的反射光束1、2、3、4、…和透射光速1’、2，、3，、4‘…在 透射的光束中，相邻两光束的光程差为θδndcos 2=，这一系列平行并有确定光程差的光束在无穷远处或透镜的焦平面上成干涉像。