塞曼效应实验仪器

仪器使用说明

TEACHER'S GUIDE

FD-ZM-A

永磁塞曼效应实验仪

中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司

Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.

FD-ZM-A型 永磁塞曼效应实验仪

一、简介

1896年,荷兰物理学家塞曼(P.Zeeman(1865-1943))发现当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线分裂成几条光谱线，分裂的谱线成分是偏振的，分裂的条数随能级的类别而不同，后人称此现象为塞曼效应。塞曼效应是继英国物理学家法拉第（M.Faraday(1791-1863)）1845年发现磁致旋光效应，克尔(John Kerr)1876年发现磁光克尔效应之后，发现的又一个磁光效应。

法拉第旋光效应和克尔效应的发现在当时引起了众多物理学家的兴趣。1862年法拉第出于\磁力和光波彼此有联系\的信念，曾试图探测磁场对钠黄光的作用，但因仪器精度欠佳未果。

塞曼在法拉第的信念的激励下,经过多次的失败,最后用当时分辨本领最高的罗兰凹面光栅和强大的电磁铁,终于在1896年发

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

实验仪器设备清单

序号 仪器名称 配置 一、产品特点： 1. 整机经不锈钢抛光处理，方便清洁； 2. 搅拌刀和杯体一体化设计，保证密闭无泄漏； 3. 全硅胶密封件，适合高温灭菌，无废弃物，无污染； 4. 转速和定时均可根据需要调节，直观可靠。 5. 采用微型大功率高速电机工作，制备供试液快速，减轻工作强度，检品适用范围大； 6. 独特的综合搅拌刀设计，匀浆均匀，实用性强； 7. 设有安全保护装置，安全可靠； 8. 采用降噪工艺进行静音处理，噪声低。 二、技术参数： 1. 电源：AC 220V/50Hz 2. 功率：65W 3. 转速：1000-20000r/min 4. 定时：10-300s 5. 匀浆杯容量：≤300ml 三、仪器配置： 1.主机一台， 2.配套不锈钢匀浆杯16套。 一、技术特点：独特的外形设计可防止出现不必要的空气湍流，从而将假阳性风险降到最低；超大液晶屏显示，运转状态指示功能，时钟功能；四档直接调速，具有转速记忆功能；可旋转角度排液槽，使用更方便；采用最新型的蠕动泵头，导管直放，装管极为方便；转轮采用四滚轮结构，运行平稳，噪音更低。二、技术参数：工作电源：AC220V/50Hz功率：90W蠕动泵转速：15～240rpm转

1号柜编号 名称 酸性腐蚀品 77001 硝酸 77003 硫酸 77004 硫酸 77011 盐酸 77012 盐酸 77021 甲酸 77026 乙酸 76 76001 草酸 75 75001 过氧化氢 低闪点易燃液体 73005 丙酮 一般有机 72027 煤油 71 汞 甲醛 71042 氨水 3 3009 漏斗架 2083 列管式烘干器 2123 实验用品提蓝 2005 手摇钻孔器 2121 塑料洗瓶 3008 试管架 集气瓶架 250mL 支架 个 台 个 台 个 个 5/校 1/校 2/校 1/校 4/校 25/50人 试剂 毫升 500/校 一般无机(二) 毫升 500/校 试剂 毫升 250/校 氧化剂 试剂，30% 毫升 1500/校 有毒品 试剂 克 100/校 试剂 试剂 工业 试剂 工业 试剂 试剂 毫升 毫升 毫升 毫升 毫升 毫升 毫升 500/校 1000/校 2000/校 1500/校 3000/校 250/校 100/校 规格 型号 功能 单位 配备标准 现有数量 备注

500 1000 1500 1500 1500 0 100

100

1500

0

500

500 2500

1 1 2 1 4 20 20个

2号柜编号

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