塞曼效应实验解读.docx
- 文档编号:9055666
- 上传时间:2023-02-03
- 格式:DOCX
- 页数:23
- 大小:164.40KB
塞曼效应实验解读.docx
《塞曼效应实验解读.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《塞曼效应实验解读.docx(23页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
塞曼效应实验解读
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
e
(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二g—旦Pj,其中
2m
PJJ为总角动量,在L—S耦合的情况下朗德因子为
jJT—LL‘:
;1j亠SS
g=1。
原子磁矩在外磁场中受到力矩L-JjB的作用使Jj绕磁场
2J(J+1)
方向作旋进,产生附加能量\E-」jBcos:
•二g皀PjBcos「二Mg皂B,由于巳»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
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
546.1
h、=E2'E2-巳'•E1二M2g2
nm的谱线跃迁的两能级(S:
3P2)为例,
e克B
-M©(选择定则lM=0,_1)以汞光
2m
在有磁场时看能级的塞曼分裂与跃迁:
3
*P2,在磁场中将发生反常塞曼
效应,塞曼裂距为
4mc
对于如图所示的分裂有
I~=Vb-~a
1
2d
22
Dk(町-Dk,2
D2k」-D2k
=M2g2_'Mig2
Be
i
4二me
(d=2.7mm)
(1)
DbkJDak」分别为相邻的b谱线a谱线的k-1级干涉环直径,k为b谱线的第k级干涉环直径,d为标准具内两夹板玻璃内表面的距离。
实验内容与步骤
1按图调节光路。
汞灯与磁极的距离保持1mm左右,各光学元件共轴,使光源在会聚透镜焦平面上,光
均匀照射到标准具上;调节标准具两平行面严格平行,调整测微目镜使之观察到清晰明锐的干涉园环。
(此
时不加磁场,调节标准具时,望远镜远离标准具才能成清晰的像的部分,调节时要压紧原来不清晰部分方向的螺丝,望远镜靠近标准具才能成清晰的像的部分,调节时要放松原来不清晰部分方向的螺丝,直至眼睛上下左右移动,均无干涉环吐出或吞进。
)
2、观察有磁场及无磁场时的谱线情况
(1)在无磁场时观察谱线的情况。
(2)加上磁场,观察谱线分裂的情况,即谱线的条数,亮度、区分
谱线的二成份和:
成份。
在标准具与观察望远镜间加入偏振片,转动偏振片观察谱线的偏振情况。
3、测出Dbk」Dak」及Dbk,代入
(1)式中计算Z(要求每测量三次取平均值)。
实验注意与思考
1.电磁铁长时间通较长时间电流(1A以上)线圈会发热,故在观察和测量完以后,要及时减少电流为零。
2.从塞曼分裂谱中如何确定能级的J量子数,如何确定能级的g因子?
塞曼效应原理及实验方法
塞曼分裂谱线与原谱线关系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
由于屬或诵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:
其中:
L为总轨道角动量量子数S为总自旋角动量量子数J为总角动量量子数M只能取J,J-1,J-2……-J(共2J+1)个值即AE有(2J+1)个可能值。
无外磁场时的一个能级,在外磁场作用下将分裂成(2J+1)个能级,其分裂的能级
是等间隔的,且能级间隔
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
为方便起见,常表示为波数差
称为洛仑兹单位
定义
塞曼分裂谱线的偏振特征
塞曼跃迁的选择定则为:
△M=0时为n成份(n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△J=0时,M2=0到Mi=0的跃迁被禁止。
当△M=±l时,为c成份,c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:
)
△M=+1为右旋圆偏振光(C偏振)△M=-1为左旋圆偏振光(C偏振)也即,磁场指向观察者时:
。
凰△M=+1为左旋圆偏振光△M=-1为右旋圆偏振光
分析的总思路和总原则:
在辐射的过程中,原子和发出的光子作为整体的角动量是
守恒的。
原子在磁场方向角动量为
•••在磁场指向观察者时風
当△M=+1时,光子角动量为
同向电磁
波电矢量绕逆时针方向转动,在光学上称为左旋圆偏振光
△M=-1时,光子角动量为
S,
与反向
电磁波电矢量绕顺时针方向转动,在光学上称为右旋圆偏振光
例:
Hg5461?
谱线,{6S7S}3Sl{6S6P}4能级跃迁产生
分裂后,相邻两谱线的波数差
实验方法观察塞曼分裂的方法
塞曼分裂的波长差很小由于
以Hg5461?
谱线为例当处于B=1T的磁场中
要观察如此小的波长差,用
般的棱镜摄谱仪是不可能的,需要
用高分辨率的仪器,如法布里一珀罗标准器(F—P标准具)
F—P标准具由平行放置的两块平面板组成的,在两板相对的平面上镀薄银膜和其他有
较高反射系数的薄膜。
两平行的镀银平面的间隔是由某些热膨胀系数很小的材料做成的环
固定起来。
若两平行的镀银平面的间隔不可以改变,则称该仪器为法布里一珀罗干涉仪。
标准具在空气中使用时,干涉方程(干涉极大值)为标准具有两个特征参量自由光谱范围和分辨本领。
自由光谱范围的物理意义:
表明在给定间隔圈原度为d的标准具中,若入射光的波
长在入〜入+AM(或波数在
间)所产生的干涉圆环不重叠,若被研究的谱
线波长差大于自由光谱范围,两套花纹之间就要发生重叠或错级,给分析带来困难,
因此在使用标准具时,应根据被研究对象的光谱波长范围来确定间隔圈的厚度。
分辨本领:
闖)
对于F—P标准具
N为精细度,两相邻干涉级
间能够分辨的最大条纹数
R为反射率,R一般在90%
..2d
L--
(当光近
似于正入射时)例如:
d=5mm,R=90%,入=546.1nm寸△入=0.001nm
实验的研究内容
分析在垂直于磁场与平行于磁场方向观察Hg546.1nm谱线在磁场中的分裂,区分n,2,
c谱线,并确定磁场方向。
设计方案,选用合适的F—P标准具和改变磁感应强度,
验证塞曼分裂的裂距
设计方案用塞曼分裂计算电子的荷质比。
讨论塞曼效应研究原子内部能级结构的方法和应用
实验讨论
讨论(F—P)标准具
问题理论上(F—P)标准具两相对反射面距离处处相等,实验中往往不相等。
如何判
断两反射问题是否处处相等?
如果不相等如何判断哪边d大,哪边d小?
分析
依据
当d相等时,同一入射角B对应同一个K,因此干涉环为同心
圆环。
当dT时,KT,因而出现干涉环吐出,要将对应的d减小
实验中垂直于磁场方向观察时要求1.区分塞曼分裂中n偏振成分和c偏振成分。
2.选用合适的标准具,改变励磁电流观察c偏振成分,相邻两级谱线的重叠。
用特斯拉计测出磁场,与相应的理论值比较。
问题为什么改变磁感应强度B,会看到相邻两级谱线的重叠,且是不同的重叠情况
分析因为改变B可以观察到干涉纹不同的重叠或错级情况:
自由光谱范围:
F—P标准具
物理意义:
若两谱线波长差>自由光谱范围圖(或露S),
则两套干涉环就要产生重叠或错级。
当d确定后,麗E是个确定的值。
塞曼裂距:
所以血融I
实验中平行于磁场方向观察
要求区分c振与厅偏振,并说明各自对应的壘或的跃迁。
用的方法是光学中检验左、右旋偏振光的方法。
实验中,常常出现的问题是忽略了磁场方向与观察方向的关系。
所对应的圆偏
问题为什么要强调磁场方向与观察方向的关系?
振光类型与磁场方向关系。
分析按角动量守恒原则,在辐射过程中原子和发射的光子作为整体,总的角动量是守恒
的。
原子在磁场方向角动量
当时,原子在磁场方向角动量减少圜,因此发射的光子必定在
磁场正方向上有角动量。
当
指向观察者时,电矢量绕逆时针方向转动,在光学上
时原子在磁场方向角动量增加
因此发射光子必定具有在磁场相反方向上
HI的角动量。
即:
磁场指向观察者时,这个电
叫做左旋圆偏振光。
同样,沿着磁场方向屈平行于磁场观察时,观察到鯉对应的
c偏振为右旋圆偏振光。
同理,
磁波电矢量是顺时针方向的,即为右旋圆偏振光
同学们如果对如何鉴别左、右旋圆偏光的原理,方法不清楚可以通过仿真实验学习
1.掌握塞曼效应理论,测定电子的荷质比,确定能级的量子数和朗德因子,绘出跃迁的能级图。
2•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。
实验原理处于电磁场中的发光体,光谱线发生分裂的现象,称为塞曼效应,其原理简述如下:
1.原子中的电子一方面绕核作轨道运动(用角动量PL表征),一方面本身做自旋运动
(用角动量PS表征),将分别产生轨道磁矩ML和自旋磁矩MS,它们与角动量的关系是:
PL=—PLms=—PS(3.1-1)
PL与PS合成总角动量PJ并分别绕PJ旋进,ML与M合成总磁矩MM在PJ延线上的
分量mj才是一个定向恒量。
对多电子原子,由于角动量之间的相互作用,有LS耦合和jj耦合,但大多数情况是LS耦合。
对于两个电子,则有Li、L2合成L;Si、S2合成S;L、S又合成J。
因此M在Pj延线上的分量mj与Pj的关系是:
mj=—gPj(3.1-2)
g称朗德因子。
在LS耦合情形,它与L、S和J的关系是§=1+(3.1-3)
由于L、S和J只能取整数和半整数,得出的g是一个简分数。
2.在外磁场作用下,产生原子磁矩与外磁场的相互耦合,赋予的耦合能量为
△E=—pjHCOSa=Mg(jbH(3.1-4)
式中m=称玻尔磁子;M为磁量子数,是J在磁场方向上的量子化投影。
由于J一定时,M取值为—J,—J+1,...,J—1,J,即取2J+1个数值,所以在外磁场中每一个原子能级(由J表征,称精细结构能级)都分裂为2J+1个等间距的子能级(亦称磁能级),其间距由朗德因子g表征。
两精细能级中磁能级之间的跃迁得到塞曼效应观察到的分裂光谱线,用波数表示为:
△===(M2g2—M1g1)=(M2g2—M1g1)L(3.1-5)
式中L=称为洛伦兹单位。
M的选择定则是AM=M2—M1=0,±(3.1-
6)
脚标2、1分别代表始、终能级,其中AM=0跃迁谱线称为n分支线,AM=±1跃迁谱线称为c分支线。
3.光的偏振与角动量守恒
在微观领域中,光的偏振情况是与角动量相关联的,在跃迁过程中原子与光子组成的系统除能量守恒外还必须满足角动量守恒。
AM=0,说明原子跃迁时在磁场方向角动量不变,因此n光是沿磁场方向振动的线偏振光。
AM=+1,说明原子跃迁时在磁场方向角动量减少一个,则光子获得在磁场方向的一个角动量,因此沿磁场指向方向观察,为反时针的左旋圆偏
振光(/;同理AM=—1,可得顺时针的右旋圆偏振光c。
当垂直于磁场方向观察时(称横效应),如偏振片平行于磁场,将观察到AM=0的n分支线;如偏振片垂直于磁场,将观察到AM=±1的c分支线。
而沿磁场方向观察时(称纵效应),将只观察到AM=±1的左、右旋圆偏振的c分支线(图3.1-1)。
4.若原子磁矩完全由轨道磁矩所贡献,即S1=S2=0,g1=g2=1,得到正常塞曼
效应,波数差为
—5—1
△=H=4.67X105H(cm1)(3.1-7)
通常情况两种磁矩同时存在,即S1=S2丸,则g1和g2均不为1,称为反常塞曼效应,波数差为
△=(M2g2—M1g1)H(3.1-8)
塞曼效应是中等磁场(H~l〜2特斯拉)对原子作用产生的效应,这样的磁场强度不足以破坏原子的LS耦合。
当磁场较强(几个特斯拉)时将产生帕邢-拜克效应。
弱磁场(HV0.01特斯拉)时则应考虑核自旋参与耦合(见实验3.2光磁共振)。
塞曼效应证实了原子具有磁矩和空间量子化,实验观测与理论分析的一致性是对磁量子数选择定则有效性的最好的实验证明,也是光子的角动量纵向分量有三个可能值(、0、
—)的最好证明。
由塞曼效应的实验结果可确定有关原子能级的量子数M、J和g因子值,
并可计算出量子数L和S的数值,这些确定均与实验所用的原子无关,因而是考查原子结构的最有效的方法。
主要仪器简介1.法布里-珀罗标准具
假定磁场强度H=1特斯拉,则正常塞曼分裂△=4.67X10"cm",对于如此小的波数差,必须使用高分辨本领的光谱仪器,例如法布里-珀罗标准具。
该仪器由固定间隔d的两块平行平晶构成,内表面均镀有高反射膜(反射系数R>0.9),因多光束干涉获得极高的分辨本领。
满足干涉极大的两相邻光束的光程差为
△=2ndcos©=k入(3.1-9)
表征法-珀标准具的两个参量是自由光谱范围和分辨本领。
(1)自由光谱范围
所谓自由光谱范围即所能研究的最大光谱范围,它等于移动一个条纹时波长的改变。
如以
某单色光为基准,其自由光谱范围可表示为△入=(3.1-10)
更有意义的是用波数来表示,则有△==(3.1-11)
即用波数表征的自由光谱范围是一仅与间隔厚度及间隔中介质折射率有关的恒量。
例如对
于d=0.200cm的空气层,若A5461?
则△后0.75?
△=2.5cm一10
(2)分辨本领
按照瑞利判据,分辨本领由透射光强ID最大值的半宽度决定。
透射光强ID与反射系数R及两相邻光束的位相差S的关系称为爱里公式:
ID=I0(3.1-12)因而用位相表示的半宽度£,在考虑到R~1时有£
(3.1-13)
相应可分辨的频率间隔d与自由光谱范围△(=c)之间的关系为
=(3.1-14)
所以分辨本领的表示式是
===(3.1-15)
即分辨本领主要由反射系数R决定:
R越高,分辨本领越大。
例如D=0.200cm的空气层,对
5
入=5461?
当R=0.9时,//d入观.2X0,即对5461?
能分辨的波长差为
2.5X0J,相应的波数差为8.4X0一cm「二因此它完全满足实验的要求。
CCD是电荷耦合器件的简称。
它是一种金属-氧化物-半导体结构的新型器件,具有光电转换、信息存储和信号传输(自扫描)的功能,在图像传感、信息处理和存贮多方面有着广泛的应用。
CCD摄像器件是CCD在图像传感领域中的重要应用。
在本实验中,经由法-珀标准具出射的多光束,经透镜会聚相干,呈多光束干涉条纹成像于CCD光敏面。
利用CCD的光电转
换功能,将其转换为电信号"图像",由荧光屏显示。
因为CCD是对弱光极为敏感的光放大器件,故荧屏上呈现明亮、清晰的法-珀干涉图像。
实验仪器:
1.装置图:
1.电磁铁2.汞灯3.会聚透镜4.偏振片5.透射干涉滤光片
6.法布里-珀罗标准具7.望远镜8.CCD图象传感器及镜头
9.汞灯电源10.磁铁电源11.多媒体计算机12.图像卡
实验仪器直流磁场及稳流电源、毫特斯拉计、笔形汞灯、法布里-珀罗标准具(d=0.200cm)、干涉滤色片(5461?
)、偏振片、CCD摄像头(安装在螺旋测微器上)、显示器。
实验内容本实验仅研究Hg5461?
横向塞曼效应,其光路如图3.1-2所示。
1.按图3.1-2调节光路,即以磁场中心到CCD窗口中心的等高线为轴,暂不放置干涉滤色片,不开启CCD及显示器,光源通过L1以平行光入射法-珀标准具,出射光通过L2成像于CCD光敏面。
2.调节法-珀标准具的平行度使两平晶平行,即调节法-珀的三个螺丝,使左右上下移动人眼对着法-珀看到的干涉条纹形状不变。
3.开启CCD和显示器,调节CCD上的平移微调机构至荧屏显示最佳成像状态,因汞
灯是复色光源,荧屏呈亮而粗条纹。
4.放置5461干涉滤色片,则荧屏呈现明细的法-珀干涉条纹。
5.开启磁场电源,观察荧屏上的分裂的n光和c光条纹随磁场的变化情况。
6.调节螺旋测微器使CCD沿垂直方向移动,贝U荧屏上条纹也相应移动。
分别测量n光和c光条纹的直径。
注意:
由于n光和c光所加磁场不同,必须每测量一种成分后用毫斯特拉计测量光源处的磁场强度。
注意事项
1.爱护光学元件表面,不得用手触摸法-珀平晶和干涉滤色片
2.法-珀标准具是精密光学仪器,调节平行度时应冷静分析,细心调节,切勿盲动。
3.爱护CCD摄像头,由于CCD对弱光极为灵敏,切勿用强光直射光敏面,以防过饱和及损伤器件;光敏面应防止灰尘和水汽沾污,切勿用手和纸擦除;实验完后应将盖子盖好窗口。
数据处理D2k—1-D2k数值的不变性
由于(k很小,故(k=DK/f,此处Ok为干涉极大©角的两倍,Dk为条纹直径,f为成像焦距(图3.1-3)。
因为cos可写成cos=1-=1-
因而由干涉极大条件有K=(1-)
即K与D2k呈一对应关系,所以有1=(D2k-1-D2k)
这即是D2k-1-D2k的不变性。
如入射光中含有入和入厶入+d(入代表分裂谱线波长),利用入〜伪d/K可得到d=
K代表K级的分裂条纹,由测得的Dk、Dk-1和Dk值计算出D2k、D2k-1及D2k值,用已知的nd值可算出分裂波数值d。
对Hg5461的分裂,根据公式
-1-1-1
==4.67X10cmT
确定(M2g2—M1g1)的数值,对于AM=0的n光,理论值(M2g2—M1g1)=1/2,将实验结果与之比较,计算出误差。
对于AM=±的c光,可计算出上、下能级的M、J和g因子值。
由实验结果画出Hg5461塞曼效应跃迁能级图。
由于k很小,故k=DK/f,此处Ok为干涉极大©角的两倍,Dk为条纹直径,f为成像焦距(图3.1-3)。
因为cos可写成
cos=1-=1-
因而由干涉极大条件有
K二(1-)
即K与D2k呈一对应关系,所以有
1=(D2k-1-D2k)
这即是D2k—1—D2k的不变性。
如入射光中含有入和入厶入+d入(入代表分裂谱线波长),利用入"伪d/K可得到
d=
K代表K级的分裂条纹,由测得的Dk、Dk-1和Dk值计算出D2k、D2k-1及D2k值,用已知的nd值可算出分裂波数值d。
对Hg5461的分裂,根据公式
—1—1—1
==4.67X10cmT
确定(M2g2—M1g1)的数值,对于AM=0的n光,理论值(M2g2—M1g1)=1/2,将实验结果与之比较,计算出误差。
对于AM=±的c光,可计算出上、下能级的M、J和g因子值。
由实验结果画出Hg5461塞曼效应跃迁能级图。
1.按图3.1-2调节光路,即以磁场中心到CCD窗口中心的等高线为轴,暂不放置干涉滤色片,不开启CCD及显示器,光源通过L1以平行光入射法-珀标准具,出射光通过L2成像于CCD光敏面。
2.调节法-珀标准具的平行度使两平晶平行,即调节法-珀的三个螺丝,使左右上下移动人眼对着法-珀看到的干涉条纹形状不变。
3.开启CCD和显示器,调节CCD上的平移微调机构至荧屏显示最佳成像状态,因汞
灯是复色光源,荧屏呈亮而粗条纹。
4.放置5461干涉滤色片,则荧屏呈现明细的法-珀干涉条纹。
5.开启磁场电源,观察荧屏上的分裂的n光和c光条纹随磁场的变化情况。
6.调节螺旋测微器使CCD沿垂直方向移动,贝U荧屏上条纹也相应移动。
分别测量n光和c光条纹的直径。
注意:
由于n光和c光所加磁场不同,必须每测量一种成分后用毫斯特拉计测量光源处的磁场强度。
注意事项
1.爱护光学元件表面,不得用手触摸法-珀平晶和干涉滤色片。
2.法-珀标准具是精密光学仪器,调节平行度时应冷静分析,细心调节,切勿盲动。
3.爱护CCD摄像头,由于CCD对弱光极为灵敏,切勿用强光直射光敏面,以防过饱和及损伤器件;光敏面应防止灰尘和水汽沾污,切勿用手和纸擦除;实验完后应将盖子盖好窗口。
数据处理
D2k—1—D2k数值的不变性
由于很小,故=DK/f,此处Ok为干涉极大©角的两倍,Dk为条纹直径,f为成像焦距(图3.1-3)。
因为cos可写成
cos=1-=1-
因而由干涉极大条件有
K二(1-)
即K与D2k呈一对应关系,所以有
1=(D2k-1-D2k)
这即是D2k—1—D2k的不变性。
如入射光中含有入和入厶入+d(入代表分裂谱线波长),利用入"伪d/K可得到
d=
K代表K级的分裂条纹,由测得的Dk、Dk-1和Dk值计算出D2k、D2k-1及D2k值,用已知的nd值可算出分裂波数值d。
对Hg5461的分裂,根据公式
—1—1—1==4.67X10cmT
确定(M2g2—M1g1)的数值,对于AM=0的n光,理论值(M2g2—M1g1)=1/2,将实验结果与之比较,计算出误差。
对于AM=±的c光,可计算出上、下能级的M、J和g因子值。
由实验结果画出Hg5461塞曼效应跃迁能级图。
由于GK很小,故EK=DK/f,此处Ok为干涉极大©角的两倍,Dk为条纹直径,f为成像焦距(图3.1-3)。
因为cos可写成
cos=1-=1-
因而由干涉极大条件有
K二(1-)
即K与D2k呈一对应关系,所以有
1=(D2k-1-D2k)
这即是D2k-1—D2k的不变性。
如入射光中含有入和入厶入+d(入代表分裂谱线波长),利用入"伪d/K可得到
d=
K代表K级的分裂条纹,由测得的Dk、Dk-1和Dk值计算出D2k、D2k-1及D2k值,用已
知的nd值可算出分裂波数值d。
对Hg5461的分裂,根据公式
—1—1—1
==4.67X10cmT
确定(M2g2—M1g1)的数值,对于AM=0的n光,理论值(M2g2—M1g1)=1/2,将实验结果与之比较,计算出误差。
对于AM=±的c光,可计算出上、下能级的M、J和g因子值。
由实验结果画出Hg5461塞曼效应跃迁能级图。
4.若原子磁矩完全由轨道磁矩所贡献
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 效应 实验 解读
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)