塞曼效应实验报告
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塞曼效应实验
实验原理
1、磁矩在外磁场中受到的作用
(1)原子总磁矩在外磁场中受到力矩的作用:
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。
(2)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:
2、塞曼分裂谱线与原谱线关系:
(1) 基本出发点:
∴分裂后谱线与原谱线频率差
由于
定义为洛仑兹单位:
3、谱线的偏振特征:
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
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:⊙B
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。
标准具在空气中使用时,干涉方程(干涉极大值)为
实验内容
1.分析在垂直于磁场与平行于磁场方向观察Hg 546.1nm谱线在磁场中的分裂,区分π,σ+,σ-谱线,并确定磁场方向。
2.设计方案,选用合适的F—P标准具和改变磁感应强度,验证塞曼分裂的裂距与磁感应强度B的关系。
3.设计方案用塞曼分裂的波数差计算电子的荷质比。
4.讨论塞曼效应研究原子内部能级结构的方法和应用。
实验仪器
F-P标准、汞灯、棱镜摄谱仪、毫特斯拉计、滤波片、1/4波片、[线]偏振片、[凸]透镜、实验操作
数据处理
表格1各谱线位置在阿贝比长仪下的读数
5.2由得到的各谱线的位置运用内插法计算各谱线的波长
计算各谱线运用内插法,即公式(13),为了计算方便,将其写成以下形式:
21
1121()x x x x x λλλλ-=+⋅--(14)
在公式(14)中,
1x 、2x 和x 分别表示波长为1λ、2λ和x λ的谱线的位置。计算结果见表
表格2用内插法计算各谱线的波长
5.3由已测得的Hg 在磁场中的分裂光谱线估算磁感应强度,见表格4:
表格3磁感应强度的估算
取其平均值为对磁感应强度的估测值,即 2.35B T 估=,而实际所加磁感应强度为2.2B T 实=,相对误差为100% 6.89%B B B η-=⨯=估实实。
误差分析:
1)实验室给出的磁感应强度B 与实验仪器得到的实际磁场有差异,即B 并不严格等于2.2T ;
2)用阿贝比长仪测量谱线位置时,由于谱线粗细不同,导致测量误差;
结论
本次实验运用光栅摄谱法观察到了在外磁场下Hg 谱线的分裂情况,直接验证了塞曼效应;还以Fe 谱线作为标准谱,用内插法测得了各谱线的波长,并以此故测了外加磁感应强度B ,基本实现了定量验证和分析。