塞曼效应(大学近代物理实验)ppt课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,塞曼效应,学号 姓名,塞曼效应学号 姓名,一、背景介绍,二、实验目的,三、实验原理,四、实验仪器,五、实验内容与步骤,六、注意事项,七、思考题,一、背景介绍,一、背景介绍,1896,年开始，塞曼逐步发现，当光源放在足够强的磁场中时，所发出的光谱线分裂成若干条。条数随能级的类别而不同。而分裂后的谱线成份是偏振的。这种现象称为塞曼效应。,一、背景介绍 1896年开始，塞曼逐步发,塞曼研究磁场对光谱的作用，是受著名英国物理学家法拉第的启示。,塞曼,(Pieter Zeeman)1865,1943,诺贝尔物理学奖,(1902,年,),塞曼研究磁场对光谱的作用，是受著名英国物理学家法拉第,1845,年法拉第发现了平面偏振光通过在强磁场作用下的玻璃偏振面会旋转的事实。后来又发现，不只是玻璃，许多物质都具有这一特性。法拉第认为：,“,磁力和光彼此是有联系的。,”,1875,年，物理学家,John kerr,在法拉第思想的激励下，注意到玻璃片在强电场下对光有双折射作用，次年又发现平面偏振光经电磁铁的磁极反射后，变成了椭圆偏振光。,1845年法拉第发现了平面偏振光通过在强磁场,1895,年前后，塞曼放下,kell,效应的研究，想试一试磁场对钠焰的光谱有没有影响，却都没成功但他坚持作了下去。,他根据法拉第的想法，用罗兰凹面光栅和强大的电磁铁，发现钠黄线在磁场的作用下变宽，后来又观察到镉兰线在磁场的作用下分裂成两根与三根；不久洛仑兹根据经典电子论解释了分裂为三条的正常塞曼效应。这一发现引起了很多物理学家开展广泛研究，然而，大多数情况却与经典电子论的理论结果不符，这叫反常塞曼效应。促使,1921,年朗德提出,g,因子概念，,1925,年泡利提出不相容原理，同年乌伦贝克和哥德斯密特提出电子自旋，从而推动量子理论的发展。,塞曼效应证实了原子具有磁距和空间量子化，至今仍是研究能级结构的重要方法之一。,1895年前后，塞曼放下kell效应的研究，想试一试,二、实验目的,1,、观察汞的,546.074nm,谱线在磁场中分裂的情况，加深对原子结构的认识；,2,、测量上述谱线在磁场中分裂的裂距，求出,e/m,值；,3,、学习法布里,珀罗标准具的原理、调节和使用。,二、实验目的1、观察汞的546.074nm谱线在磁场中分裂的,三、实验原理,塞曼效应是由于电子的轨道磁矩与自旋磁矩共同受外磁场的作用而产生的。,电子从高能级向低能级跃迁时会发光。一定的光谱线对应于一定的能级间的跃迁。例如汞的,546.074nm,谱线是,6S7S,S,到,6S6P,P,2,跃迁的结果。谱线在磁场中分裂这一事实，反映了能级在磁场中发生了分裂，也即原子在磁场中获得了附加能量。,运用量子力学。可以对塞曼效应作出满意的解释。,三、实验原理塞曼效应是由于电子的轨道磁矩与自旋磁矩共同受外磁,1,原子的总磁矩,原子中的电子在作自旋运动的同时还作轨道运动。因此它具有自旋角动量 和自旋磁矩,以及轨道角动量 和轨道磁矩,1原子的总磁矩,总磁矩 则是 与 的合成。由于 与 的比值不同于 与 的比值,所以 不在总角动量 的延长线上。但是,和 都是绕着 旋进的,因此 、和 也都是绕着 的延长线旋进的。如果把 分解成方向在 延长线的分量 和与之垂直的另外一个分量,则后者在绕 转动时,对外的平均效果完全抵消。这样,对外发生效果的只是 。因此,人们就将 称之为,“,原子总磁矩,”,。,进行矢量迭加运算后得：,其中的,g,称为朗德因子。对于,LS,耦合,所以只要知道原子态性质,就可以算出原子总磁矩,;,反之,从对原子磁性的研究,也可以提供有关原子态的线索。,总磁矩 则是 与 的合成。由于 与 的比值不同于,2,外磁场作用下原子能级的分裂,原子具有总磁矩,处在外磁场中就要受到场的作用,其效果,是总磁矩绕磁场的方向作旋进,也就是总角动量,绕外磁场,方向旋进。旋进引起的附加能量可以证明是,代入,有,：,是,的补角。,2 外磁场作用下原子能级的分裂原子具有总磁矩 ,处在外,但 与,在磁场中的取向是量子化的，在磁场方向的分量只,能取如下数值：,M,是磁量子数，它只能取：,M=J,J-1,。,-J+1,-J,共,2J+1,个值。每一个,M,值相当于,的一个可能的取向。由以上,两式得：,式中的,称为玻尔磁子,这样,没有外磁场时的一个能级,在外磁场作用下将分裂成,2J+1,个子能级。每个子能级的附加能量由上式决定,它正比于磁场,强度,B,和朗德因子,g,。,但 与 在磁场中的取向是量子化的，在磁场方,3.,能级分裂下的跃迁,设某一谱线是由能级,E,2,和,E,1,间的跃迁产生的,则在该谱线的频率,与能级差有如下关系,:,在外磁场的作用下,上、下两能级分别分裂为,2J,2,+1,和,2J,1,+1,个子能级,附加能量分别为,E,2,和,E,1,。则由能级间的跃迁而产生的新谱线的频率,满足。,3.能级分裂下的跃迁 在外磁场的作用下,上、下两能级分,与无磁场时的谱线相比，频率改变为,用波数（,）差 来表示，则有,其中,称为洛仑兹单位。若,B,的单位用,T,（特斯拉）,则,L,的单位为,/cm,与无磁场时的谱线相比，频率改变为用波数（,跃迁时,M,的选择定则与谱线的偏振情况如下：,选择定则：,(,当,J,0,时，,M,被禁止,),当,M,=0,时，产生的偏振光为,成分。垂直于磁场观察时,(,横效应,),，线偏振光的振动方向平行于磁场。平行于磁场观察时，,成分不出现。,跃迁时M的选择定则与谱线的偏振情况如下：选择定则：,当,M,=,1,时，产生,线。沿垂直于磁场方向观察时,(,横效应,),，,线为振动方向垂直于磁场的线振动光。沿磁场方向观察时，,线为圆偏振光。,当 M=1时，产生线。沿垂直于磁场方向观察时(横效应,4.,汞的,546.074nm,谱线的塞曼效应,汞的,546.074nm,谱线是 到 跃迁的结果。,上,能级分裂为三个子能级，下能级分裂为五个能级，选择定则允许的跃迁共有九种。因此，原来的 谱线将分裂成九条谱线。分裂后的九条谱线是等距的，间距都为二分之一的洛仑兹单位，九条谱线的光谱范围为,4,个洛仑兹单位。各线段的长度表示谱线的相对强度。,用上面所述的方法，可以求出它的塞曼分裂。下图表示在外磁场作用下，和 能级的分裂。,4.汞的546.074nm谱线的塞曼效应汞的546.074n,表,1,7,6,L,S,J,g,M,Mg,0,1,1,2,1 0 -1,2 0 -2,1,1,2,3/2,2 1 0 -1 -2,3 3/2 0 -3/2 -3,表,2,M,2,1,0,-1,-2,2 0 -2,3 3/2 0 -3/2 -3,及偏振态,1/2 0 -1/2,（右边为,成分）,-2/2 -3/2 -4/2 4/2 3/2 2/2,表1 76L01表2M210-1-2,在外磁场作用下，和 能级的分裂,在外磁场作用下，和 能级的分裂,各光线的偏振态,选择定则,K,B,（横向）,K,B,（纵向）,M=0,线偏振光,成分 无光,振动方向平行磁场,M=,1,线偏振光,成分 右旋圆偏振光,M=,1,线偏振光,成分 左旋圆偏振光,振动方向垂直磁场,各光线的偏振态选择定则 KB（横向）,四、实验仪器,法拉第效应,-,塞曼效应综合实验仪,四、实验仪器法拉第效应-塞曼效应综合实验仪,1,、电源,1、电源,说明：,A,、励磁电源电压、电流显示转换开关；,B,、励磁电源电压或电流显示（电压单位：伏特，电流单位：安培）；,C,、励磁电源电流调节旋钮（顺时针增大）；,D,、磁感应强度显示调零旋钮；,E,、磁感应强度显示（单位：特斯拉）；,F,、电源开关（控制励磁电源和磁感应强度测量）；,G,、励磁电源正常工作指示灯；,H,、励磁电源电压调节旋钮（顺时针增大）；,I,、励磁电源非正常工作指示灯（指示励磁电源过热）；,J,、磁感应强度测量校正旋钮（出厂时已校正完成，勿轻易调节）；,K,、笔形汞灯电源开关（“按下去”为“接通电源”,此时汞灯发光）。,说明：G、励磁电源正常工作指示灯；,2,、汞光谱灯,本实验中用作光源，产生汞的谱线。注意光谱灯同时产生较强紫外线。应避免直接观测光源。,3,、电磁铁,磁场由电磁铁提供。调节激磁电源电流的大小可以获得不同强度的磁场。电流值由直流电流表读出。,塞曼效应(大学近代物理实验)ppt课件,3,、高斯计,系根据霍尔效应设计的一种测量磁场强度的仪器。使用前请仔细阅读说明书。特别要保护探头，因为霍尔片就在探头内，极易损坏。,4,、偏振片,偏振片用于检出一定方向的线偏振光。,5,、,F-P,标准具,塞曼分裂的波长差是很小的，这一点可以通过自己估计其数量级来加以理解。因此一般的光谱仪是难以观察到其分裂现象的。,F-P,标准具的分辨率很高，而且构造简单。本实验用它来观察和测量谱线的分裂。,3、高斯计系根据霍尔效应设计的一种测量磁场强度的仪器。使,F-P,标准具,(1)F-P,标准具的原理及性能,F-P,标准具由两块平面平晶及中间的间隔圈组成。平晶内表面需经过精密加工,精度高于,/20,。内表面镀有高反射膜,反射率高于,90%,。间隔距离可通过螺丝调节。以保证两内表面严格平行。,设,A,B,两平面间的距离为,d,空气折射率,n1,则相邻两束透射光之间的光程差便是,=2dcos,，因此，产生干涉极大时应满足,=2dcos=k,式中,k,为整数,为入射角。,F-P标准具F-P标准具由两块平面平晶及中间的间隔圈组成。平,(2)F-P,标准具的调节,调节标准具时,主要是要使两个内表面严格平行。,将光源,透镜和标准具按规定放好。水平移动标准具找到干涉环,使其中心位于反射片的中心。左右移动眼睛观察。如果在移动过程中有冒环或吸环的现象,则说明两个内表面水平方向不平行。这时可以调节标准具下方的两个螺丝。冒环方向相应的间距大,因此应将这个方向的螺丝旋紧,或者把另一方向的螺丝放松。通过调节,应达到左右移动眼睛时,无冒环或吸环现象。然后再竖直移动眼睛,如果眼睛上移时出现冒环,可以旋紧上方螺丝或同时放松下方的两个螺丝,;,反之,可以放松上方螺丝或同时放松下方的两个螺丝。依此,在水平和竖直两个方向反复多次调节,达到无论怎样移动眼睛,均不出现冒环和吸环现象。这时用望远镜观察就可看到细而锐的干涉环了。,(2)F-P标准具的调节,标准具测量波长差的公式：,式中,D,表示圆环的直径，,f,为透镜的焦距，,d,为法,-,泊板间的距离。,由上式可见，公式左边第二项的负号表明直径愈大的干涉环纹序愈低。同理，对于同一级序的干涉环直径大的波长小。,对于同一波长相邻级项,k,和,k-1,圆环直径分别为,D,k,和,D,k-1,，其直径平方差用,D,2,表示，可得,D,2,=D,2,K-1,D,2,K,=4f,2,k,由上可知,D,2,是与干涉级项,k,无关的常数。,标准具测量波长差的公式：由上可知D2是与干涉级项k无关的,对于同一级项不同波长、,b,、,c,而言，相邻两个环的波长差,ab,的关系上由式得：,ab=a-,b,=d,（,D,2,b,-D,2,a,）,/4f,2,k,bc=,b,-c=d,（,D,2,c,-D,2,b,）,/4f,2,k,由于,F-P,标准具中，大多数情况下，,cos=1 K=2d/,于是有：,ab=a-b=,2,（,D,2,b,-D,2,a,）,/2d(D,2,K-1,-D,2,K,）,bc=b-c=,2,（,D,2,b,-D,2,c,）,/2d(D,2,K-1,-D,2,K,）,对于同一级项不同波长、b、c而言，相邻两个环的波长,用波数表示：,用波数表示：,测量并计算荷质比,对于正常的塞曼效应,分裂谱线的波数差为,测量并计算荷质比对于正常的塞曼效应,分裂谱线的波数差为,五、实验内容与步骤,1,、横向观察塞曼分裂,（,1,）转动电磁铁，使之横向放置，调节测量台，使笔型汞灯竖直放置在磁