塞曼效应(含思考题答案).pdf

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1、课程：专业班号：姓名：学号：同组者：塞曼效应一、实验目的1、学习观察塞曼效应的方法观察汞灯发出谱线的塞曼分裂；2、观察分裂谱线的偏振情况以及裂距与磁场强度的关系；3、利用塞曼分裂的裂距，计算电子的荷质比eme数值。二、实验原理1、谱线在磁场中的能级分裂设原子在无外磁场时的某个能级的能量为E0，相应的总角动量量子数、轨道量子数、自旋量子数分别为J、L、S。当原子处于磁感应强度为B的外磁场中时，这一原子能级将分裂为2J1层。各层能量为EE0MgBB（1）其中M为磁量子数，它的取值为J，J1，...，J共2J1个；g为朗德因子

2、；B为hc玻尔磁矩（B）；B为磁感应强度。4m对于LS耦合J（J1）L（L1）S（S1）g1（2）2J（J1）假设在无外磁场时，光源某条光谱线的波数为~10（E02E01）（3）hc式中h为普朗克常数；c为光速。而当光源处于外磁场中时，这条光谱线就会分裂成为若干条分线，每条分线波数为别为~~~~1~00（E2E1）0（M2g2M1g1）BBhchc~0（M2g2M1g1）L所以，分裂后谱线与原谱线的频率差（波数形式）为~~~Be0（M2g2M1g1）L（M2g2M1g1）（4）4mc式中脚标1、2分别表示原子跃迁后和跃迁

3、前所处在的能级，L为洛伦兹单位11（L46.7B），外磁场的单位为T（特斯拉），波数L的单位为米特斯拉。M、M的选择定则是：M0时为成分，是振动方向平行于磁场的线偏振光，21只能在垂直于磁场的方向上才能观察到，在平行于磁场方向上观察不到，但当J0时，M0，到M0的跃迁被禁止；M1时，为成分，垂直于磁场观察时为振动垂21直于磁场的线偏振光，沿磁场正方向观察时，M1为右旋偏振光，M1为左旋偏振光。若跃迁前后能级的自旋量子数S都等于零，塞曼分裂发上在单重态间，此时，无磁场时的一条谱线在磁场作用下分裂成三条谱线，其中M1对应的仍

4、然是态，M0~eB对应的是态，分裂后的谱线与原谱线的波数差L。这种效应叫做正常塞曼4mc效应。2.法布里—珀罗标准具27塞曼分裂的波长差很小，波长和波数的关系为，若波长510m的11谱线在B1T的磁场中，分裂谱线的波长差约只有10m。因此必须使用高分辨率的仪器来观察。本实验采用法布里—珀罗（FP）标准具。FP标准具是由平行放置的两块平面玻璃或石英玻璃板组成，在两板相对的平面上镀有高反射率的薄银膜，为了消除两平板背面反射光的干涉，每块板都作成楔形。由于两镀膜面平行，若使用扩展光源，则产生等倾干涉条纹。具有相同入射角的光线在

5、垂直于观察方向的平面上的轨迹是一组同心圆。若在光路上放置透镜，则在透镜焦平面上得到一组同心圆环图样。如图2所示，在透射光束中，相邻光束的光程差为2ndcos（5）取n12ndcos（6）产生亮条纹的条件为2dcosK（7）式中K为干涉级次；为入射光波长。我们需要了解标准具的两个特征参量是~~1、自由光谱范围（标准具参数）FSR或FSR,同一光源发出的具有微小波长差的单色光1和2（12），入射后将形成各自的圆环系列。对同一干涉级，波长大的干涉环直径小，所示。如果1和2的波长差逐渐加大，使得1的第m级亮环与2的第（m1）级亮

6、环重合，则有2dcosm（m1）（8）FP标准具等倾干涉图122得出21（9）m2d由于大多数情况下，cos1，（8）式变为m并带入（9）式，得到1212（10）2d2d它表明在FP中，当给定两平面间隔d后，入射光波长在—间所产生的干涉圆环不发生重叠。2、分辨本领定义为光谱仪的分辨本领，对于FP标准具，它的分辨本领为KN（11）K为干涉级次，N为精细度，它的物理意义是在相邻两个干涉级之间能分辨的最大条纹数。N依赖于平板内表面反射膜的反射率R。RN（12）1R反射率越高，精细度就越高，仪器能分辨开的条纹数就越多。利用FP标

7、准具，通过测量干涉环的直径就可以测量各分裂谱线的波长或波长差。D参见图2，出射角为的圆环直径D与透镜焦距f间的关系为tan，对于近中2f心的圆环很小，可以认为sintan，于是有222Dcos12sin11（13）2228f代入到（7）式中，得2D2dcos2d（1）K（14）28f由上式可推出同一波长相邻两级K和（K1）级圆环直径的平方差为22224fDDK1DK（15）d2可以看出，D是与干涉级次无关的常数。设波长a和b的第K级干涉圆环直径分别为Da和Db，由（14）式和（15）式得22d22DbDaab2（DbDa

8、）（22）4fKDK1DKK得出222DbDa波长差（）（16）222dDK1DK221DbDa波数差（）（17）222dDK1DKe3、用塞曼效应计算电子荷质比m对于正常塞曼效应，分裂的波数差为eBL4mc代入测量波数差公式（17），得22e2cDbDa（）（18）22mdBDK1DK若已知d和B，从塞曼分裂中测量