1、塞曼效应 电科 091 吴建国 09461127近代物理实验指导老师：李峰塞曼效应的简介：n 塞曼效应是 1896年由 荷兰 物理学家 塞曼 发现的 .他发现， 原子光谱 线在外 磁场 发生了分裂。随后 洛仑兹 在理论上解释了谱线分裂成 3条的原因。这种现象称为 “ 塞曼效应 ” 。 n 塞曼效应是继 1845年 法拉第 效应和 1875年 克尔效应 之后发现的第三个磁场对光有影响的实例。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
2、。 实验目的n 1.掌握塞曼效应理论，测定电子荷质比，确定能级的量子数与朗德因子，绘出跃迁的能级。n 2.掌握法布里 珀罗标准具的原理及应用、 CCD摄像器件在图像传感器中的应用。n 3.熟练掌握光路的调节。【 实验原理 】一、塞曼效应（ 1）原子中的电子一方面绕核作轨道运动动量 PL， 一方面本身作自旋运动 将分别产生轨道磁矩与自旋磁矩，它们与角动量的关系是：原子的有效磁矩，它大小由下式决定：g称为朗德因子（ 2）在外磁场作用下，原子总角动量 PJ和绕磁场方向进动，如图所示，产生原子磁矩与外磁场的相互耦合，赋予的耦合能量为：由于角动量在磁场中取向是量子化的，有， M=J, J-1, , -J
3、式中，。未加磁场时，能级 E2和 E1之间跃迁产生得光谱线频率为：（ 3）光的偏振时，产生 光， 光是光振动平行于磁场方向的线偏振光。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 的光。 ，产生 光，沿着磁场方向观察时，如将偏振片垂直于磁场， 光为圆偏振光， 为反时针的左旋圆偏振光 ，同理， 可得顺时针的右旋圆偏振光 。如图 3所示。磁场 磁场图 光的偏振（ 4）若原子磁矩完全由轨道磁矩所贡献，即 S1 = S2 = 0， g1 = g2 = 1，原来波数为 的一条谱线，将分裂成波数为 , ， ， , 三条偏振化的分谱线， ，为一个洛仑兹单位，我们称为正常塞曼效应（ cm-1
4、）实际上，正常塞曼效应仅仅是个特例，通常情况两种磁矩同时存在，即 ， ， ，称为反常塞曼效应，波数差为（ 5）塞曼效应是中等磁场（ B 1 特斯拉）对原子作用产生的效应。这样的场强不足以破坏原子的 LS耦合，当磁场较强（ B为几个特斯拉）时将产生帕刑 拜克效应。弱磁场（ B 0.01特斯拉）时则应考虑核自旋参与耦合。塞曼效应证实了原子具有磁矩与空间量子化。实验观测与理论分析的一致性是对磁量数选择定则的有效性的最好的实验证明，也是光子的角动量纵向分量有三个可能值（ ， 0， - ）的最好证明。由塞曼效应的实验结果确定有关原子能级的量子数 M, J与 g因子值，可判断跃迁能级哪一个是上能级和另一个
5、是下能级，并可计算出 L与 S的数值，这些确定均与实验所用原子无关，因而是考察原子结构的最有效的办法。汞原子的塞曼效应【 实验器材 】1 笔形汞灯 2 光具座 3 永磁铁 4 聚光透镜 5 偏振片 6 滤光片 7 固体 F-P标准具 8 虚线框内为 ZM2000A CCD采集分析系统 9 磁铁移动手枪 计算机数据采集盒用 USB接口与计算机相连，同时以 DB15插座通过电缆线与 CCD采集盒相连。计算机数据采集盒上有一个 12位的 A/D转换器，也就是说可以把 CCD器件上每一个光敏单元上的光强信号分成 4096个灰度等级。空间分辨率与所使用的 CCD光强仪的型号有关，在 7m14m 之间，详见 CCD采集盒的铭牌。数据采集盒对计算机要求不高， 586最小配置，有 USB接口就可以了。ZM2000 B2型塞曼效应实验的光路图
