塞曼效应实验报告

塞曼效应 关于塞曼效应的虚拟实验报告 前言: 1896年荷兰物理学家塞曼发现光谱线在磁场中发生分裂额现象，后来洛伦兹对其成功的做出了解释。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信息由重要作用。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。 实验背景: 塞曼效应的发现使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解，塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场。本实验采取Fabry-Perot(以下简称F-P)标准具观察Hg的546.1nm谱线的塞曼效应，同时利用塞满效应测量电子的荷质比。 实验原理: 一、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 (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(P)绕磁场方向旋进。 J (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: 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: (1) 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，M=0到M=021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) -偏振) ΔM= -1为左旋圆偏振光(σ 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:? 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。 33例:Hg 5461Å谱线，{6S7S}S? {6S6P}P能级跃迁产生 12 分裂后，相邻两谱线的波数差 实验方法: 观察塞曼分裂的方法: 塞曼分裂的波长差很小由于 以Hg 5461 Å谱线为例当处于B=1T的磁场中 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 标准具有两个特征参量自由光谱范围和分辨本领。 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。 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 实验仪器: 图1:塞曼效应实验装置 图2: F-P标准具 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的。实际中两块平板不可能一直绝对平行，所以实验中还需要用3个旋钮来调平。 图3:汞灯 本实验用汞辉光放电灯，电源用交流220V通过自耦变压器接到霓虹灯变压器上，由霓虹灯变压器点燃就电管。自耦变压器用来调节放电管的电流强度。 电磁铁用30V/5A直流稳压电源供电。电流与磁场的关系可用毫特斯拉计进行测量。磁场强度可达1T以上。 图4:棱镜摄谱仪 头部为暗箱，用来拍摄干涉花纹的谱片。也可以为望远镜，借助它观察干涉花纹。 图5:毫特斯拉计 图6:滤波片 透射干涉滤光片应根据实验中所观察的波长选择，实验中通过滤光片得到Hg-546.1nm的谱线 图7: 1/4波片 给圆偏振光以附加的π/2位相差，使圆偏振光变成线偏振光，波片上箭头指示的方向为慢轴方向，慢轴方向表示位相落后π/2。若把坐标轴取在波片上，y轴方向与波片慢轴重合。对右旋圆偏振光而言(即顺时针旋转的圆偏振光)，y方向的位相超前π/2，通过1/4波片后，y轴对x轴的位相差为零。圆偏振光变成线偏振光后，线偏振光的振动方向在坐标系的?、?象限，相对波片慢轴右旋民45?，用检偏器即可观察到。对左旋圆偏振光而言(逆时针旋转的圆偏振光)，相当y轴方向的位相落后π/2，通过1/4波片后，y轴的位相落后π， 圆偏振光也变成线偏振光，线偏振光的振动方向在坐标的?，?象限，相对波片慢轴右旋了45?。 图8: [线]偏振片 在垂直磁场方向观察时用以鉴别π成分和σ成分;在沿磁场方向观察时与1/4波片一起，用以鉴别左旋或右旋圆偏振光 图9: [凸]透镜 仪器中有数个透镜，依照功能区分为 a)聚焦镜:使通过标准具的光强增加 b)成像透镜(组):使F—P标准具的干涉花样成像在暗箱的焦平面上 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，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。 实验指导 1.讨论(F—P)标准具 问题 理论上(F—P)标准具两相对反射面距离处处相等，实验中往往不相等。 如何判断两反射问题是否处处相等, 如果不相等如何判断哪边d大，哪边d小, 分析 依据 当d相等时，同一入射角θ对应同一个K，因此干涉环为同心圆环。 当d?时，K?，因而出现干涉环吐出，要将对应的d减小。 2.实验中垂直于磁场方向观察时要求 1.区分塞曼分裂中π偏振成分和σ偏振成分。 2.选用合适的标准具，改变励磁电流观察相邻两级σ偏振成分谱线的重叠。用特斯拉计测出磁场，与相应的理论值比较。 问题 为什么改变磁感应强度B，会看到相邻两级谱线的重叠，且是不同的重叠情况。 分析 因为改变B可以观察到干涉纹不同的重叠或错级情况: F—P标准具 自由光谱范围: 物理意义:若两谱线波长差>自由光谱范围(或)，则两套干涉环就要产生重叠或错级。 当d确定后，是个确定的值。 塞曼裂距: 所以 3.实验中平行于磁场方向观察 要求区分σ+振与σ-偏振，并说明各自对应的或的跃迁。用的方法是光学中检验左、右旋偏振光的方法。实验中，常常出现的问题是忽略了磁场方向与观察方向的关系。 问题 为什么要强调磁场方向与观察方向的关系, ，所对应的圆偏振光类型与磁场方向关系。 分析 按角动量守恒原则，在辐射过程中原子和发射的光子作为整体，总的角动量是守恒的。原子在磁场方向角动量 当时， 原子在磁场方向角动量减少，因此发射的光子必定在磁场正方向上有角动量。当指向观察者时，电矢量绕逆时针方向转动，在光学上叫做左旋圆偏振光。同样，沿着磁场方向平行于磁场观察时，观察到 对应的σ偏振为右旋圆偏振光。 同理，时 原子在磁场方向角动量增加，因此发射光子必定具有在磁场相反方向上的角动量。即:磁场指向观察者时，这个电磁波电矢量是顺时针方向的，即为右旋圆偏振光。 同学们如果对如何鉴别左、右旋圆偏光的原理，方法不清楚可以通过仿真实验学习。 实验重点 1( 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。 2( 掌握应用塞曼分裂方法测量电子荷质比。 3( 学习应用塞曼效应实验分析原子能级结构的方法。 实验难点 1( 塞曼分裂谱线的实验方法，F-P标准具在塞曼效应实验中的作用及正确调节 F-P标准具至最佳工作状态。 2( 在平行于磁场方向确定同一级干涉纹内、外环各对应?M=+1或?M=-1的跃迁 及其圆偏性。 3( 在垂直于磁场方向，逐渐增大磁感应强度B，观察相邻两级干涉环的错级和 重叠现象，并结合F-P标准具自由光谱范围的表达式解释现象，计算电子 的荷质比。 操作指导 一、主窗口 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，如图1。 图1 二、主菜单 在主实验台上单击鼠标右键，弹出主菜单(图2、3): 图2 图3 移动鼠标到所要的实验项目上单击，就会进入相应的实验项目。 1(实验简介。 选择“实验简介”项，会出现以下文本框(图4)，鼠标左键单击“返回”按钮，回到主实验台。 图4 2(实验原理。 (1) 选择“塞曼效应原理”项，会出现下面的控制台(图5)。鼠标左键单击“滚动条”，文本向上移动。鼠标左键单击“磁场控制”按钮，图形框会出现光谱线分裂情况。鼠标左键单击“返回”按钮，返回主实验台。 图5 (2) 选择“法布里—泊罗标准具原理”项，会出现下面的控制台(图6)。鼠标左键单击“滚动条”，文本向上移动。鼠标左键单击“光路图”按钮，图形框会出 现相应的标准具原理图。鼠标左键单击“返回”按钮，返回主实验台。 图6 3(实验内容。 分为“垂直磁场方向观察塞曼分裂”和“平行磁场方向观察塞曼分裂”两项。 4(退出。 退出实验平台，返回系统主界面。 三、垂直磁场方向观察塞曼分裂 在主菜单的“实验内容”里选择“垂直磁场方向观察塞曼分裂”， 进入实验台一(图7)。鼠标在台面上移动时，最下面的信息台会出现提示。 图7 鼠标右键在台面上单击，会出现下面的选项菜单(图8): 图8 1(选择“实验步骤”项，会出现下面的文本框(图9)。阅读完后，鼠标左键单击“返回”按钮，回到实验台一。 图9 2(选择“实验光路图”项，出现下面的实验光路图(图10)。鼠标左键单击“返 回”按钮，返回实验台一。 图10 3(按照实验光路图，开始安排仪器位置(图11): 图11 (1) 鼠标左键单击仪器，相应的仪器进入拖动状态，移动鼠标，仪器会随鼠标拖动。在台面上你认为正确的位置上，再次单击鼠标左键，仪器进入放置状态。 注意:如果仪器位置不到台面，或者超出台面范围，放置仪器时，仪器会回到初始位置。 (2) 所有仪器相对位置正确后，鼠标左键单击“电源”按钮，开启水银辉光放电管电源。这时，台面上会出现一条水平的光线。 注意:如果仪器的相对位置不正确，开启电源时，会出现错误提示，光线不会出现。 (3) 光线出现后，开始调节各仪器，使其共轴。鼠标左键单击仪器，相应仪器的高度会降低;鼠标右键单击仪器，相应仪器的高度会上升。注意:标准具的高度不需要调节。 (4) 当各仪器共轴后，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，会出现标准具调节控制台(图12)。 图12 a. 鼠标左键单击不同方向的观察按钮，标准具中的分裂环会出现吞吐现象。 b. 鼠标左键单击“调整指导”按钮，会出现调整指导文本和思考题，完成思考题后，出现提示信息。鼠标右键单击文本退出“调整指导”。 c. 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。 d. 由于实验中的标准具难于调整，以致于影响后面的实验进程，所以控制台中设计了“自动调平”按钮。鼠标左键单击“自动调平”按钮，标准具自动达到调平状态。 e. 鼠标左键单击“返回”按钮，返回实验台一。 注意:光路不正确时，标准具不能进入调整状态。 4(调节完光路和标准具后，方可选择实验项目开始观测。 (1) 选择“鉴别两种偏振成分”，进入下面的控制台(图13)。鼠标在控制台上移动时，最下面的信息台会出现相应的操作键和视窗信息。 图13 a. 鼠标左键单击“观察指导”按钮，出现一个文本框。鼠标左键单击“返回”按钮退出。 b. 偏振片视窗上的红线表示偏振片透振方向，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。 c. 鼠标左键单击“返回”按钮，返回实验台一。 (2) 选择“观察塞曼裂距的变化”选项，进入下面的控制台(图14)。鼠标在控制台上移动时，最下面的信息台会出现相应的操作键和视窗信息。 图14 a. 鼠标左键单击“观察指导”按钮，会出现下面的文本框(图15)。阅读完后，鼠标左键单击文本框上的“返回”按钮，返回控制台。 图15 b. 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;鼠标右键单击(或按下不放)“电流调节旋钮”，旋钮逆时针旋转，安培表指示电流减小，望远镜视窗中 的塞曼裂距发生变化。按照实验指导中的要求，记录相应的电流数据。 c. 鼠标左键单击“电流-磁场强度坐标图”，出现下面的坐标图(图16)。鼠标左键点击横纵滚动条，坐标图移动，根据记录的电流值，查出相应的磁场强度值。查完后，鼠标左键单击“返回”按钮，返回控制台。 图16 d. 记录完毕后，鼠标左键单击控制台上的“返回”按钮，返回实验台一。5(本实验台所有的实验项目完成后，选择“返回”项目，返回主实验台。 四、垂直磁场方向观察塞曼分裂 在主实验台上选择“平行于磁场方向观察塞曼分裂”选项，进入实验台二(图17)。鼠标在实验台上移动时，最下面的信息台会出现相应的仪器信息。 图17 鼠标右键在实验台上单击，会出现下面的实验选项(图18)。 图18 1(“实验步骤”、“实验光路图”与实验台一的相同。 2(仿照实验台一的操作方法，安排好仪器的位置，调节好光路和标准具。 3(选择“观察圆偏振光”，进入下面的控制台(图19)。鼠标在控制台上移动时，最下面的信息台会出现相应的操作键和视窗信息。 图19 (1) 鼠标左键单击“观察指导”按钮，出现下面的文本框(图20)。阅读完后，鼠标左键单击文本框上的“返回”按钮，返回控制台。 图20 (2) 偏振片视窗上的红线表示偏振片的透振方向，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。 (3) 实验完毕后，鼠标左键单击控制台上的“返回”按钮，返回实验台二。4(选择“返回”选项，返回主实验台。 实验完毕后，鼠标右键单击主实验台，在选项菜单上选择“返回”选项并点击，主实验台出现“返回”按钮，鼠标左键单击“返回”按钮，返回主界面。 思考题 1(如何鉴别F-P标准具的两反射面是否严格平行，如发现不平行应该如何调节, 2(已知标准具间隔圈厚度d=5mm,该标准具的自由光谱范围是多大,根据标准具 自由光谱范围及546.1nm谱线在磁场中的分裂情况，对磁感应强度有何要 求,若B=0.62T， 分裂谱线中哪几条将会发生重叠, 3(沿磁场方向观察，Δm=1和Δm=-1的跃迁各产生那种圆偏振光,用实验现象 说明。 参考资料 大学物理实验，李志超，轩植华，霍剑青，高等教育出版社，2001