塞曼效应实验
李世超南方科技大学，深圳
一、实验目的
2、学习应用塞曼效应测量电子的荷质比和研究原子能级结构的方法
二、实验原理
1.塞曼效应
Hg 5461Å谱线，由{6S7S}3S1→ {6S6P}3P2能级跃迁产生。
（Hg 5461Å谱线的塞曼分裂能级示意图）
塞曼效应是因为原子受磁场作用而进动引起附加能量，无磁场时的一个能级在外磁场作用下分裂成（2J
+1）个等间隔的能级。
特斯拉实验塞曼分裂谱线有偏振特征，以Hg5461Å的塞曼分裂谱线为例（如图1）：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，是振动方向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，具体表现为：
沿磁场正向观察时（即磁场方向离开观察者：U），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为左旋圆偏振光，ΔM= -1为右旋圆偏振光。
2.F-P标准具
塞曼分裂的波长差非常小，需用法布里-珀罗标准具（F-P）来观察。
平行光在F-P标准具中形成等倾干涉后，各级干涉条纹的光程差为
2dcosθ=Kλ
其中K为干涉条纹级数，θ为不同干涉级数对应的入射角，d为F-P标准具两平行玻璃板间距。
F-P标准具有两个特征参量：
（1）自由光谱范围
包含相差不远的两类波长λ
1λ
2
的单光入射经过标准具后可能形成如图2
所示的两套等倾干涉条纹。当标准具的间距满足方程2dcosθ=Kλ
1
=(K-1)
λ
2时，两套干涉条纹将重叠，在临界值Δλ=λ
1
-λ
2
内，不会有重叠现象，
因此Δλ被称为标准具的自由光谱范围。在大多数情况下，，
，则，用波数差表示为。
（2）分辨本领
分辨本领定义为：
其中K为干涉级数，R为平板玻璃内表面的反射率，一般R90%，K
三、实验内容
1、调节光路共轴
图3 塞曼效应实验装置
(1)、 点燃汞灯，按照图3调节实验装置共轴（通过目镜图像观察，图像清晰即可）。 (2)、 用d=5mm 的F-P 标准具，调节其到最佳分辨状态。即要求F-P 标准具两个镀膜面完全平行。此时用眼睛直接观察F-P 标准具，当眼睛上、下、左、右移动时，圆环中心没有吞吐现象(备注：9206端口对应的仿真实验默认已调节好，不必额外调节)。 2、 垂直于磁场方向观察塞曼分裂，并区分σ成分和π成分。
(1)、将电磁铁电压由0逐渐调至15V （备注：9206端口对应仿真实验每隔5V 为一档，但相邻两档之间可以通过微调旋钮进行每隔1V 调节），观察546.1nm 谱线的塞曼分裂。再用偏振片区分σ成分和π成分（对应1±=∆M ，0=∆M 的跃迁）。 (2)、观察并记录分裂谱线随磁场的变化，分辨塞曼分裂的σ成分和π成分的谱线，记录σ成分和π成分每级干涉环条数，并比较其强度。
(3)、将电磁铁电压调至合适（8V-10V ），用测微目镜观察塞曼分裂的π成分，测量a D ，
b D ，1−K D ，K D ，用特斯拉计测量磁感应强度B ，由公式22
22
12 ()b a
K K
D D e c m dB D D π−−=−计算电子荷质比。
(4)、将电子荷质比的测量值与理论值(1.76*1011C/kg)相比较，计算相对误差，分析误差来源。
图4：各参数的含义
3、平行于磁场方向观察塞曼分裂
(1)、将线圈逆时针转90度，在平行于磁场方向观察谱线的塞曼分裂。
(2)、利用高斯计判断磁场方向，确定磁场方向是远离观察方向还是指向观察方向（备注：9206端口对应仿真实验中默认为沿着磁场方向观察，无法调节和测量）。 (3)、观察并记录分裂谱线随磁场的变化，
利用提供的1/4波片和检偏器辨别塞曼分裂的σ+成分和σ-成分的谱线。
选作：利用谱线重叠的方法测量电子荷质比
(1)、因为d=5mm 的F-P 标准具的自由光谱范围比较小，改变磁场时，能观测到K 与（K-1）级的σ谱线的重叠成分，当d
i j 21
=
∆−∆σσ时，K 级σ成分的谱线i 与K-1级σ成分的谱线j 恰好重叠，其中i σ∆为K 级σ成分的谱线i 与原谱线的波数差，
j σ∆为K-1级σ成分的谱线j 与原谱线的波数差。测量出磁场的磁感应强度B ，由波
数差关系计算出电子荷质比。 四、数据记录：
提示：根据实验内容逐条记录原始数据。 1、垂直于磁场方向时观察到的实验现象 未加电压时，π成分如下图较暗。
逐渐增大电压时，干涉条纹亮度增大，且开始逐渐分裂：
发布评论