實(shí)驗(yàn)3-5 塞曼效應(yīng).ppt

實(shí)驗(yàn)3 5塞曼效應(yīng)南開(kāi)大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心近代物理實(shí)驗(yàn)室 一 背景知識(shí) 1896年 荷蘭著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家塞曼 Zeeman 將光源置于強(qiáng)磁場(chǎng)中 研究磁場(chǎng)對(duì)譜線的影響 結(jié)果發(fā)現(xiàn)原來(lái)的一條光譜線 分裂成幾條光譜線 分裂的譜線成份是偏振的 這一現(xiàn)象稱(chēng)為塞曼效應(yīng) 由于發(fā)現(xiàn)了這個(gè)效應(yīng) 塞曼在1902年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 這是當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的重要成就之一 它使人們對(duì)物質(zhì)的光譜 原子和分子的結(jié)構(gòu)有了更多的了解 通過(guò)塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 可由能級(jí)分裂的個(gè)數(shù)知道能級(jí)的值 由能級(jí)的裂距可以知道因子 如果原子遵從耦合 則可由值判斷該能級(jí)的和值 二 實(shí)驗(yàn)原理 1 譜線在磁場(chǎng)中的分裂按量子理論 當(dāng)光源處于磁場(chǎng)強(qiáng)度為的磁場(chǎng)中 能級(jí)要發(fā)生分裂 其附加能量當(dāng)光源未受磁場(chǎng)作用時(shí) 設(shè)電子由能級(jí)躍遷到能級(jí) 產(chǎn)生頻率為的譜線 當(dāng)光源受磁場(chǎng)作用時(shí) 一般地兩能級(jí)都要發(fā)生分裂 分別有的附加能量 分裂的上下能級(jí)分別表示為和 它們之間的躍遷產(chǎn)生頻率為的新譜線 則有即在磁場(chǎng)作用下 譜線頻率的變化為 相應(yīng)的波數(shù)差為式中L為可知 給定磁場(chǎng)時(shí) 譜線的塞曼分裂由譜線對(duì)應(yīng)的兩個(gè)能級(jí)的磁量子數(shù)和朗德因子確定 本實(shí)驗(yàn)研究汞546 1的塞曼分裂 塞曼效應(yīng)的選擇定則是 M 0 M 1 譜線在磁場(chǎng)中的能級(jí)躍遷如圖 3S1 3P2 B 0 B B M Mg 1 0 1 2 1 0 1 2 2 0 2 3 3 2 0 3 2 3 546 1nm 546 1nm 汞546 1nm線在磁場(chǎng)中分裂為9條新譜線 其中對(duì)應(yīng)的線與原譜線相同 各相鄰的分裂譜線波數(shù)差是L 2 當(dāng) M 0時(shí) 產(chǎn)生3條線 沿垂直磁場(chǎng)方向觀測(cè) 線為振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)的線偏振光 沿磁場(chǎng)方向觀測(cè)不到線 當(dāng) M 1時(shí) 產(chǎn)生6條線 沿垂直磁場(chǎng)方向觀測(cè) 線為振動(dòng)方向垂直于磁場(chǎng)的線偏振光 沿磁場(chǎng)方向觀測(cè) 線為圓偏振光 2 用標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)量波數(shù)差本實(shí)驗(yàn)采用干涉濾光片和法布里 珀羅標(biāo)準(zhǔn)具完成分光任務(wù) i i d f 當(dāng)光程差等于波長(zhǎng)的數(shù)倍時(shí) 形成干涉亮環(huán) 即對(duì)于級(jí)干涉環(huán) 滿足經(jīng)推導(dǎo) 波數(shù)差可表示為其中 此式就是實(shí)驗(yàn)中用以計(jì)算波數(shù)差的公式 二 實(shí)驗(yàn)裝置 1 2 O L1 P F F P L2 M 1 磁場(chǎng) 2 激磁電源 O 汞燈 L1 L2 透鏡 F P 標(biāo)準(zhǔn)具 M 讀數(shù)顯微鏡 P 偏振片 F 濾光片 三 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 調(diào)整光路 觀察塞曼現(xiàn)象點(diǎn)亮汞燈 把透鏡置于光源和標(biāo)準(zhǔn)具之間適當(dāng)位置 讓光充滿標(biāo)準(zhǔn)具 這時(shí)用眼睛直接觀看標(biāo)準(zhǔn)具 可以看到標(biāo)準(zhǔn)具視場(chǎng)中布滿一系列干涉條紋 由于標(biāo)準(zhǔn)具前已經(jīng)放置濾光片 故只看到汞546 1nm的綠色條紋 水銀光譜的其它成分已被濾除 調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具 若標(biāo)準(zhǔn)具兩反射面不平行 則眼睛在垂直于光軸的平行面內(nèi)上下左右移動(dòng)時(shí) 將會(huì)看到干涉環(huán)的縮冒現(xiàn)象 這時(shí)需調(diào)解標(biāo)準(zhǔn)具的三個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕 例如 若眼睛向左移動(dòng)時(shí)環(huán)心收縮 表明標(biāo)準(zhǔn)具左邊間距偏小 需放松左邊旋鈕 其余類(lèi)推 反復(fù)調(diào)節(jié)三個(gè)旋鈕直到眼睛上下左右移動(dòng)都沒(méi)有明顯縮冒現(xiàn)象為止 這時(shí)標(biāo)準(zhǔn)具已調(diào)好 開(kāi)啟穩(wěn)壓電源 調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源電流為一定值 未加磁場(chǎng)時(shí)的一個(gè)干涉環(huán)在磁場(chǎng)中分裂成9條干涉環(huán) 其中3條為成分 6條為成分 由于在我們的實(shí)驗(yàn)條件下 相鄰兩級(jí)的成分相互干擾 我們只測(cè)量成分 取相鄰兩級(jí)次的成分進(jìn)行測(cè)量 2 測(cè)量并計(jì)算波長(zhǎng)差由可求出塞曼分裂的波數(shù)差 式中是同一干涉級(jí)相鄰兩干涉環(huán)直徑平方差 即 3 測(cè)量并計(jì)算荷質(zhì)比對(duì)于正常塞曼效應(yīng) 分裂譜線的波數(shù)差為荷質(zhì)比為 思考題 如何判斷實(shí)驗(yàn)中所見(jiàn)的三條線是由六條線重迭而成的