塞曼效应实验
塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。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）。
一、实验目的：
1.通过观查塞曼效应现象，了解塞曼效应是由于电子的轨道磁矩与自旋磁矩共同受到外磁场作用而产生的。证实了原子具有磁矩和空间取向量子化的现象，进一步认识原子的内部结构。并把实验结果和理论进行比较。
2.掌握塞曼效应的基本原理，塞曼分裂谱线的特征及其鉴别方法
3.掌握法布里—珀罗标准具的原理和使用方法。
二、实验仪器
法布里—珀罗标准具（F-P标准具），凸透镜，偏振片，1/4波片，电磁铁，光源，望远镜
三、实验原理
1、塞曼分裂谱线与原谱线关系
（1）磁矩在外磁场中受到的作用
(a)原子总磁矩在外磁场中受到力矩的作用
P S μ
μ
其效果是磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量（PJ）绕磁场方向旋进。
(b)磁矩在外磁场中的磁能
由于或在磁场中的取向量子化，所以其在磁场方向分量也量子化：
∴原子受磁场作用而旋进引起的附加能量
M为磁量子数
g为朗道因子，表征原子总磁矩和总角动量的关系，g随耦合类型不同（LS耦合和jj耦合）有两种解法。在LS耦合下：
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
M只能取J，J-1，J-2 …… -J（共2J+1）个值
即ΔE有(2J+1)个可能值。
无外磁场时的一个能级，在外磁场作用下将分裂成（2J+1）个能级，其分裂的能级是等间隔的，且能级间隔
(2)塞曼分裂谱线与原谱线关系
基本出发点：
∴分裂后谱线与原谱线频率差
由于
为方便起见，常表示为波数差
定义称为洛仑兹单位
2、塞曼分裂谱线的偏振特征
（1）塞曼跃迁的选择定则为：
ΔM=0 时为π成份（π型偏振）是振动方向平行于磁场的线偏振光，只有在垂直于磁场方向才能观察到，平行于磁场方向观察不到；但当ΔJ=0时，M2=0到M1=0的跃迁被禁止。
当ΔM=±1时，为σ成份，σ型偏振垂直于磁场，观察时为振动垂直于磁场的线偏振光。
平行于磁场观察时，其偏振性与磁场方向及观察方向都有关：
沿磁场正向观察时（即磁场方向离开观察者： ）
ΔM= +1为右旋圆偏振光（σ+偏振）
ΔM= -1为左旋圆偏振光（σ-偏振）
也即，磁场指向观察者时：⊙
ΔM= +1为左旋圆偏振光
ΔM= -1为右旋圆偏振光
（2）分析的总思路和总原则：
在辐射的过程中，原子和发出的光子作为整体的角动量是守恒的。
原子在磁场方向角动量为
∴在磁场指向观察者时：⊙
当ΔM= +1时，光子角动量为，与同向
电磁波电矢量绕逆时针方向转动，在光学上称为左旋圆偏振光。
ΔM= -1时，光子角动量为，与反向
电磁波电矢量绕顺时针方向转动，在光学上称为右旋圆偏振光。
例：Hg 5461Å谱线，{6S7S}3S1→ {6S6P}3P2能级跃迁产生
分裂后，相邻两谱线的波数差
3、F—P标准具
塞曼分裂的波长差很小，由于，要观察如此小的波长差，用一般的棱镜摄谱仪是不可能的，需要用高分辨率的仪器，如法布里—珀罗标准器（F—P标准具）。
F—P标准具由平行放置的两块平面板组成的，在两板相对的平面上镀薄银膜和其他有较高反射系数的薄膜。两平行的镀银平面的间隔是由某些热膨胀系数很小的材料做成的环固定起来。若两平行的镀银平面的间隔不可以改变，则称该仪器为法布里—珀罗干涉仪。
标准具在空气中使用时，干涉方程（干涉极大值）为
N为整数，称为干涉序。由于标准具的间距是固定的，在波长不变的条件下，不同的干涉序N对应不同的入射角 。在扩展光源照明下，F—P标准具产生等倾干涉，故它的干涉条纹是一组同心圆环。
标准具光路图
标准具有两个特征参量自由光谱范围和分辨本领。
（1）自由光谱范围的物理意义：
表明在给定间隔圈原度为d的标准具中，若入射光的波长在λ～λ+Δλ间（或波数在间）所产生的干涉圆环不重叠，若被研究的谱线波长差大于自由光谱范围，两套花纹之间就要发生重叠或错级，给分析带来困难，因此在使用标准具时，应根据被研究对象的光谱波长范围来确定间隔圈的厚度。
（2）分辨本领：（）
对于F—P标准具
N为精细度，两相邻干涉级间能够分辨的最大条纹数
R为反射率，R一般在90%
（当光近似于正入射时）
例如：d=5mm，R=90%，λ=546.1nm时Δλ=0.001nm
四、实验步骤
在系统主界面上选择“塞曼效应”并单击，即可进入本仿真实验平台，显示主实验台；在主实验台上单击鼠标右键，弹出主菜单；依次选择“实验简介”、“实验原理”、“实验仪器”、“实验内容”、“实验指导”、“实验原理演示”、进入“开始实验”项。
1、垂直于磁场方向观察塞曼分裂
（1）选择“垂直于磁场方向观察塞曼分裂”选项，按照实验光路图，开始安排仪器位置，接通灯源，调整各个部件，使之与灯源在同一轴线上（鼠标右键单击仪器，相应仪器的高度会上升）。
（2）开始调节标准具。鼠标左键双击标准具，标准具进入调整状态。调节标准具视框上的三个旋钮。直到眼睛往不同方向移动时，标准具视框中的分裂环均不会出现吞吐现象。鼠标右键单击旋钮，旋钮逆时针转动，d增大；鼠标左键单击旋钮，旋钮顺时针转动，d减小。或点击“自动调平”按钮。
（3）选择“鉴别两种偏振成分”，鼠标左键单击“偏振片透振方向逆时针旋转”或“偏振片透振方向顺时针旋转”按钮，偏振片透振方向会做相应的旋转，望远镜视窗中的分裂线也会随透振方向的改变而改变。
（4）选择“观察塞曼裂距的变化”选项，鼠标左键单击（或按下不放）“电流调节旋钮”，旋钮顺时针旋转，安培表指示电流增大，望远镜视窗中的塞曼裂距发生变化。
（5）鼠标左键单击“电流-磁场强度坐标图”，根据记录的电流值，查出相应的磁场强度值。
2、平行于磁场方向观察塞曼分裂
（1）选择“平行于磁场方向观察塞曼分裂”选项，按照实验光路图，开始安排仪器位置，接通灯源，调整各个部件，使之与灯源在同一轴线上，并调节标准具。
（2）选择“观察圆偏振光”，鼠标左键单击“偏振片透振方向顺时针旋转”
或“偏振片透振方向逆时针旋转”按钮，偏振片的透振方向做相应的旋转，望远镜视窗中的分裂环会产生相应的变化。
五、实验讨论
1、讨论（F—P）标准具
