实验三
塞曼效应实验
实验三
塞曼效应实验
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. 通过永磁铁的磁场对笔形汞灯中特定波长的光谱线产生π光和σ光分裂.并用一套高精度的线阵 CCD 采集系统(即 ZM2000A 塞曼效应微机采集处理系统)对分裂曲线进行接收,借助计算机的强大数据 处理能力分析实验数据, 得到实验结果. 线阵 CCD 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.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.
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.
二, 实验原理
1.塞曼效应.处于电磁场中的发光体,光谱线发生分裂的现象称为塞曼效应,其原理如下: (1) 原子中的电子一方面绕核作轨道运动(用角动量PL表示) ,一方面本身作自旋运动(用角动量PS表 示) ,将分别产生轨道磁矩μL与自旋磁矩μS,它们与角动量的关系是:
μL =
e PL , 2mc
μS =
e PS mc
PL与PS合成总角动量Pj并分别绕Pj旋进,μL与μS合成总磁矩μ,μ在PJ延长线上的分量μJ才是一个定向
恒量. 对于多电子原子,由于角动量之间的相互作用,有LS耦合与JJ耦合,但大多数是LS耦合.对于两个电 子,则L1,L2合成L,S1,S2合成S,L,S又合成J.因此μ在PJ延长线上的分量μJ与Pj的关系是:
μ j = g
e Pj 2mc
g = 1+ J ( J + 1) + S ( S + 1) L( L + 1) 2 J ( J + 1)
g 称为朗德因子,在 LS 耦合情形,它与 L,S 和 J 的关系是:
由于 L,S 和 J 只能取整数与半整数,所以得出的 g 是一个简分数. (2) 在外磁场作用下,产生原子磁矩与外磁场的相互耦合,赋予的耦合能量为:
△E = -gHcosα= MgμBH,
μB =
eh 4πm
μB称为波尔磁子. 为磁量子数,是J在磁场方向上的量子化投影.由于J一定时, 取值为-J,-J+1,…, M M J-1,J,即取 2J+1 个数值,所以在外磁场中的每一个原子能级(由 J 表征,称为精细结构能级)都分裂 为 2J+1 个等间距的子能级(亦称磁能级) ,其间距由朗德因子 g 表征.两精细能级中磁能级之间的跃迁
得到塞曼效应,观察到的分裂光谱线,用波数表示为:
~
Δν =
eh Δν ΔE 2 ΔE1 = = ( M 2 g 2 M 1 g1 ) = ( M 2 g 2 M 1 g1 ) L C hC 4πmc
式中的 L 称为洛仑兹单位.M 的选择定则是△M = M2 - M1 = 0,±1,脚标 2,1 分别代表始,终能 级,其中△M = 0 的跃迁谱线称为π光线,△M =±1 的跃迁谱线称为σ光线.
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塞曼效应实验
(3) 光的偏振与角动量守恒 在微观领域中,光的偏振情况是与角动量相关联的,在跃迁过程中,原子与光子组成的系统除能 量守恒外,还必须满足角动量守恒.△M = 0,说明原子跃迁时在磁场方向角动量不变,因此π光是沿磁 场方向振动的线偏振光.△M = +1,说明原子跃迁时在磁场方向角动量减少一个 h ,则光子获得在磁场 方向的一个角动量 h ,因此沿磁场指向方向观察,为反时针的左旋圆偏振光 σ ,同理,△M = -1 可得
+
顺时针的右旋圆偏振光 σ .
当垂直于磁场方向观察时(横效应) ,如偏振片平行于磁场,将观察到△M = 0 的π分支线,如偏振 片垂直于磁场,将观察到△M =±1 的σ分支线.而沿磁场方向观察时,将只观察到△M =±1 的左右旋圆 偏振的σ分支线.如右图: 若原子磁矩完全由轨道磁矩所贡献,即 S1 光源 磁场
= S2 = 0,g1 = g2 = 1,得到正常塞曼效
应,波数差为:

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