塞曼效应实验1\/4波晶片的晶轴类型

塞 曼 效 应

1896年塞曼发现，光源放在磁场内时，所发射的光谱分裂成几条，而且分裂的谱线是偏振的。接着洛伦兹防系用经典电磁理论对分裂成三条谱线（在垂直于磁场方向观察）的情形作了解释。进一步的研究发现，大多数谱线的塞曼分裂为多于三条，习惯上称前一种谱线分裂为正常塞曼效应，后一种谱线分裂为反常塞曼效应。历史上对反常塞曼效应的理论研究，促进了电子自旋概念的引入，从而推进了量子理论的发展。现今，量子力学已对反常塞曼效应作出了满意的解释。

塞曼效应证实了原子具有磁矩和空间量子化效应。从塞曼效应的实验数据可以推断有关能级分裂情况，确定量子数和朗德因子g，从而可获得有关原子态的重要信息，故塞曼效应是研究原子结构的重要方法之一。

本实验的主要目的是用法布里-珀罗标准具研究塞曼效应.观察Hg5461?谱线的分裂现象以及它们的偏振状态,并通过摄谱及测量,确定电子的荷质比

e值. m原 理

一 塞曼效应原理概述

塞曼效应的产生是由于原子磁矩与磁场作用的结果.在忽略很小的核磁矩的情况下,原子的总磁矩等于电子的轨道磁矩和自旋磁矩之和.电子具有的轨道总角动量Pl及自旋总角动量Ps 的数值分别为: Pl?l(l?1)hh

实验58 塞曼效应

1896年塞曼(Pieter Zeeman 1865—1943荷兰物理学家)发现把光源置于足够强的磁场中时，光源发出的每一条谱线都分裂为若干条偏振化谱线，分裂的条数随能级类别不同而不同，这种现象称为塞曼效应。

早年把那些谱线分裂为三条，而裂距按波束计算正好等于一个洛仑兹单位的现象叫做正常塞曼效应（洛仑兹单位L=eB/4πmc）。正常塞曼效应用经典理论就能给予解释。实际上大多数物质的谱线在磁场中分裂的谱线多于三条，谱线的裂距可以大于也可以小于一个洛仑兹单位，人们称这类现象为反常塞曼效应。反常塞曼效应只有用量子理论才能得到满意的解释。

从塞曼效应得实验结果中可以得到有关能级分裂的数据，即由能级分裂的个数可以知道能级的J值，由能级的裂距可以知道g因子。塞曼效应证实了原子具有磁矩与空间取向量子化，有力地支持了光的电磁理论，至今仍然是考察原子结构的最有效的方法，并且该效应在现代激光技术中也有着重要应用。

【实验目的】

1．掌握法布里-珀罗标准具的原理及使用，CCD摄像器件在图像传感中的应用。 2．通过对Hg546.1nm光谱线的塞曼效应的研究，观察磁场对谱线的影响。 3．掌握塞曼效应理论，测定电子的荷质比。

【实验仪器】

塞曼效应实验

实验目的

1、观察汞光在磁场中的塞曼分裂现象2、测量塞曼分裂相邻能级的波数差3、学习法布里珀罗标准具的调节。

实验仪器

塞曼效应仪 实验原理

（1）能级分裂：原子中的电子作自旋与轨道运动，使得原子具有一定的磁矩?J?gePJ，其中2mPJ?J?J?1??为总角动量，在

g?1?L—S耦合的情况下朗德因子为

J?J?1??L?L?1??S?S?1?。原子磁矩在外磁场中受到力矩L??J?B的作用使?J绕磁场

2J?J?1?ee?PJBcos??MgB，由于PJ?J在外磁场2m2m中的取向量子化，即磁量子数M=J，J-1…..-J 有2J?1个可能值，因而有外磁场时原来的一个能级分

方向作旋进，产生附加能量?E???JBcos??g裂为2J+1个能级。

（2）光谱分裂：一光谱线在B=0时，h??E2?E1；B?0时，新的谱线

h????E2??E2???E1??E1??h???M2g2?M1g1?ｎｍ的谱线跃迁的两能级（Ｓ１

３

３

e?B（选择定则?M?0,?1）以汞光546.12mＰ２）为例，在有磁场时看能级的塞曼分裂与跃迁：

（3）本实验观测波长为546.1ｎｍ的谱线的塞曼分裂跃迁为Ｓ１ ３

３Ｐ２，在磁场中将发生反常塞曼

效应，塞

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

西安交大大物仿真实验报告

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：

西安交大大物仿真实验报告

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：

西安交大大物仿真实验报告

ΔM= +1为右旋圆偏振光（σ+偏振） ΔM= -1为左旋圆偏振光（σ-偏振）

塞曼效应实验

一、实验目的

1.学习观测塞曼效应的实验方法； 2.学习光路的调节和F-P标准具的使用；

3.观察原子在磁场中能级的分裂和测量电子荷质比e/m。

二、实验仪器

1．实验装置

图一是塞曼效应实验装置简化图，整个装置放在1.2m的光具座上。分项说明如下：

图一 塞曼效应实验装置图

N和S为电磁铁，220V交流电通过自耦变压器接硒整流器，其直流输出供给电磁铁作励磁电流，自耦变压器调节和控制励磁电流的大小。

O为水银辉光放电管，本实验用作光源。通过另一自耦变压器将电压升至10000V左右点燃放电管。

L1为聚光镜，使通过标准具的光增强。

P为偏振片，在垂直于磁场方向观察时用以鉴别π成分和σ成分。

F为干涉滤色片。作用是只允许谱线546.1nm通过，滤掉Hg原子发出的其他谱线。 F-P为法布里-珀罗标准具。本实验中的标准具的间距为2.000mm。 M为读数显微镜。调焦于干涉花样后即可对干涉条纹进行观测。

T为摄像头。与微机相连，可拍摄读数显微镜内的干涉条纹，并通过微机进行数据处理。 2．F-P标准具的原理及性能参数

F-P标准具由两块平行玻璃板和夹在中间的一个间隔圈

物理学及电子技术学院

近代物理实验 （论文）

题目： 塞曼效应 专业： 物理学 班级： 级班 学号： 姓名： 指导教师：

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目录

摘要 ………………………………………………………………………………… 1 1. 引言 ……………………………………………………………………………… 1 2. 正文 ……………………………………………………………………………… 1

2.1实验原理 ……………………………………………………………………… 1

2.1.1塞曼分裂 …………………………………………………………… 1

2. 2.2塞曼效应的选择定则 ……………………………………………… 2

2.2.3汞（546.1nm谱线）塞曼效应理论分析 …………………………… 3 2.2.4 法布里—珀罗（F-P）标准具工作原理 …………………………… 5

2.2.5 实验装置 ………………………………………………………… 8 2.3. 实验内容与过程 ………………………………………………………… 9

4、塞曼效应的偏振特性

（1）沿Z方向传播的电磁波（横波）的电场矢量必定在xy平面（横波特性），并可分解为：

?Ex?Acos?t ?E?Bcos(?t??)?y

当??0，电场矢量在某一方向做周期变化，为线偏振，又称平面偏振

当???2，A＝B时，合成的电场矢量的大小为常数，方向做周期性变化。矢量箭头绕圆周运动，此即圆偏振。

（2）定义右旋偏振和左旋偏振

定义：沿z轴逆光观察，电矢量顺时针转动，称为右旋（圆）偏振，反之称为左旋（圆）偏振。

圆偏振光具有角动量，且光的角动量方向与电矢量旋转方向成右手螺旋关系。

沿着Z方向对准光传播方向观察（逆着光传播方向）， 电矢量作顺时针转动，称为右旋偏振， 角动量方向与传播方向相反

光的传播方向Z向右 光的角动量方向L向左

沿着Z方向对准光传播方向观察（逆着光传播方向）， 电矢量作逆时针转动，称为左旋偏振， 角动量方向与传播方向相同

光的传播方向Z向右 光的角动量方向L向右

（3）塞曼效应

Δm?m2?m1?1 （以正常塞曼效应为例）

原子在磁场方向（Z方向）的角动量减少了1，原子和发出的光子作为一个整体，角动量必须守恒，因此，所发光子必定在磁场方向（Z方向）具有角动量。

//B，

2013/5/18南华大学核科学技术学院毕业设计（论文）

毕业设计(论文)

题 目 塞曼效应测量电子荷质比 学院名称 核科学技术学院 指导教师 谢安平 职 称 副教授 班 级 核技065 学 号 20064530511 学生姓名 韩楷

2010年5月29日

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2013/5/18南华大学核科学技术学院毕业设计（论文）

南 华 大 学

毕业设计（论文）任务书

学 院：核科学技术学院

题 目：塞曼效应测量电子荷质比

起 止 时 间： 2009.12至 2010.5

学 生 姓 名： 韩楷

专 业 班 级： 核技065 指 导 教 师： 谢安平 教研室主任： 院 长：

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2J?1层。各层能量为

E?E0?Mg?BB （1）

其中M为磁量子数，它的取值为J，J?1，...，?J共2J?1个；g为朗德因子；?B为玻尔磁矩（?B?hc）；B为磁感应强度。 4?m对于L?S耦合 g?1?J（J?1）?L（L?1）?S（S?1） （2）

2J（J?1）假设在无外磁场时，光源某条光谱线的波数为

~?1（E?E） ?00201 （3）

hc式中 h为普朗克常数