塞曼效應

——電科091吳建國09461127近代物理實驗指導老師：李峰塞曼效應的簡介：塞曼效應是1896年由荷蘭物理學家塞曼發現的.他發現，原子光譜線在外磁場發生了分裂。隨后洛侖茲在理論上解釋了譜線分裂成3條的原因。這種現象稱為“塞曼效應”。塞曼效應是繼1845年法拉第效應和1875年克爾效應之后發現的第三個磁場對光有影響的實例。塞曼效應證實了原子磁矩的空間量子化，為研究原子結構提供了重要途徑，被認為是19世紀末20世紀初物理學最重要的發現之一。利用塞曼效應可以測量電子的荷質比。在天體物理中，塞曼效應可以用來測量天體的磁場。實驗目的1.掌握塞曼效應理論，測定電子荷質比，確定能級的量子數與朗德因子，繪出躍遷的能級。2.掌握法布里——珀羅標準具的原理及應用、CCD攝像器件在圖像傳感器中的應用。3.熟練掌握光路的調節?！緦嶒炘怼恳?、塞曼效應（1）原子中的電子一方面繞核作軌道運動動量PL，一方面本身作自旋運動‘將分別產生軌道磁矩與自旋磁矩，它們與角動量的關系是：

原子的有效磁矩，它大小由下式決定：g稱為朗德因子（3）光的偏振

時，產生光，光是光振動平行于磁場方向的線偏振光。當垂直于磁場方向觀察時（橫效應），如偏振片平行于磁場，將觀察到的光。，產生光，沿著磁場方向觀察時，如將偏振片垂直于磁場，光為圓偏振光，為反時針的左旋圓偏振光，同理，可得順時針的右旋圓偏振光。如圖3所示。磁場磁場圖光的偏振（4）若原子磁矩完全由軌道磁矩所貢獻，即S1=S2=0，g1=g2=1，原來波數為的一條譜線，將分裂成波數為,，，,三條偏振化的分譜線，，為一個洛侖茲單位，我們稱為正常塞曼效應（cm-1）

實際上，正常塞曼效應僅僅是個特例，通常情況兩種磁矩同時存在，即，，，稱為反常塞曼效應，波數差為（5）塞曼效應是中等磁場（B≈1特斯拉）對原子作用產生的效應。這樣的場強不足以破壞原子的LS耦合，當磁場較強（B為幾個特斯拉）時將產生帕刑—拜克效應。弱磁場（B<0.01特斯拉）時則應考慮核自旋參與耦合。塞曼效應證實了原子具有磁矩與空間量子化。實驗觀測與理論分析的一致性是對磁量數選擇定則的有效性的最好的實驗證明，也是光子的角動量縱向分量有三個可能值（，0，-）的最好證明。由塞曼效應的實驗結果確定有關原子能級的量子數M,J與g因子值，可判斷躍遷能級哪一個是上能級和另一個是下能級，并可計算出L與S的數值，這些確定均與實驗所用原子無關，因而是考察原子結構的最有效的辦法。汞原子的塞曼效應【實驗器材】1—筆形汞燈2—光具座3—永磁鐵4—聚光透鏡5—偏振片6—濾光片7—固體F-P標準具8—虛線框內為ZM2000ACCD采集分析系統9—磁鐵移動手槍

計算機數據采集盒用USB接口與計算機相連，同時以DB15插座通過電纜線與CCD采集盒相連。計算機數據采集盒上有一個12位的A/D轉換器，也就是說可以把CCD器件上每一個光敏單元上的光強信號分成4096個灰度等級?？臻g分辨率與所使用的CCD光強儀的型號有關，在7μm~14μm之間，詳見CCD采集盒的銘牌。數據采集盒對計算機要求不高，586最小配置，有USB接口就可以了。ZM2000B2型塞曼效應實驗的光路圖【實驗內容】

（1）參照上面的結構圖將各個器件安裝好。 （2）打開筆形汞燈的電源，汞燈通電后，亮度會逐步提高，此穩定過程約需一兩分鐘，打開計算機的電源，運行ZEEMAN軟件； （3）轉動磁鐵移動手輪，將汞燈置于磁場兩極的中間，此時磁場強度最大，越遠離此位置，磁場強度越小，且均勻性也變差； （4）分以下幾步 （a）調節光路，使各光學器件同軸、等高，使光束通過每個光學元件的中心。2，調節聚光透鏡4的位置，盡可能使強度均勻的光束落在F-P標準具上。

（b）聚光透鏡的位置對分裂曲線的影響很大，將聚光透鏡安放在橫向可調的馬鞍坐上，汞燈與聚光透鏡立桿的距離一般在180mm左右，此值如減小,則觀察到的分裂級次減少而信號較強,如增大,則相反，實驗要求至少5個干涉級可測。汞燈與標準具立桿的距離一般在390mm左右。ZM2000A的鏡頭緊靠標準具（加遮光罩）；（c）ZM2000A的鏡頭筒上有一道細刻線，轉動鏡頭與之平齊，就可大致調到焦距的位置，再略做細調，使軟件得到幅度最大，細節最清楚的曲線。（d）ZM2000A中的線陣

CCD器件是沿豎直方向安裝，故對上下位置上的光線敏感，要仔細調節F-P標準具和ZM2000A的鏡頭的仰角旋鈕，使兩者等高，軟件得到對稱的分裂曲線。

反復調節聚光透鏡的位置，ZM2000A鏡頭和標準具的仰角，使軟件得到左右對稱的足夠多級次（大于5級）細節清楚的分裂曲線。（5）轉動偏振片，分別得到π光和σ光分裂曲線；（6）參閱附錄2完成實驗數據的測量?！咀⒁馐马棥浚?）使用中有以下問題需要注意： （a）用ZM2000A采集測量時，如無暗室環境，請用遮光罩連接標準具座和ZM2000A的鏡頭座，否則信號會飽和，曲線一直呈現為計算機屏幕頂部的一條直線；（b）汞燈對人眼有害，實驗中請勿直視汞燈；（c）實驗中請勿將手表等易受磁場影響