(完整word版)塞曼效应实验报告.pdf

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1、1、前言和实验目的1.了解和掌握 WPZ-型塞曼效应仪和利用其研究谱线的精细结构。2.了解法布里-珀罗干涉仪的的结构和原理及利用它测量微小波长差值。3.观察汞 546.1nm（绿色）光谱线的塞曼效应，测量它分裂的波长差，并计算电子的荷质比的实验值和标准值比较。2、实验原理处于磁场中的原子，由于电子的mj不同而引起能级的分裂，导致跃迁时发出的光子的频率产生分裂的现象就成为塞曼效应。下面具体给出公式推导处于弱磁场作用下的电子跃迁所带来的能级分裂大小。总磁矩为J的原子体系，在外磁场为B中具有的附加能为：E=-JB由于我们考虑的是反常塞曼效应，即磁场为弱磁场，认为不足以破坏电子的轨道-自旋耦合。则我们

2、有：E=-zB=mJgJBB其中z为J在z方向投影，mJ为角动量J在z方向投影的磁量子数，有2J 1个值，B=eh称为玻尔磁子，gJ为朗德因子，其值为4megJ=1J(J 1)L(L 1)S(S 1)2J(J 1)由于mJ有2J 1个值，所以处于磁场中将分裂为2J 1个能级，能级间隔为gJBB。当没有磁场时，能级处于简并态，电子的态由n,l,j（n,l,s）确定，跃迁的选择定则为 s=0,l=1.而处于磁场中时，电子的态由n,l,j,mJ，选择定则为 s=0，l=1，mj 1。磁场作用下能级之间的跃迁发出的谱线频率变为：hv(E2 E2)(E1 E1)=h+(m2g2m1g1)BB分裂的谱线与

3、原谱线的频率差为：=-=(m2g2m1g1)BB/h、=2c=2(m2g2m1g1)BB/hc=2(m2g2m1g1)L(完整word版)塞曼效应实验报告-第1页(完整word版)塞曼效应实验报告-第1页式中L=eBBB=0.467B称为洛仑兹单位（裂距单位）。hc4cme所以电子的荷质比：e4c1=2meBm2g2 m1g1塞曼能级跃迁的选择定则和偏振定则：表 1选择定则m=Om=+1m=-1横向观察直线偏振光()直线偏振光(直线偏振光(3纵向观察无光左旋圆偏振光(右旋圆偏振光(3)本实验使用的汞绿光546.1nm（6S7S S1 6S6P P2)，我们以式（15）及能级跃迁的选择定则来分析

4、此反常塞曼效应。能级分裂如下图所示：表 2LSJg上能级S1011210-120-23下能级P21123/2210-1-233/20-3/2-33mmgHg546.1nm谱线是由6S7S3S1到6S6P3P2跃迁而产生，表2 列出3S1和3P2能级的各量子数 L、S、J、m、g与mg的值。如图（13）上部分表示能级分裂后可能发生的跃迁，下部分画出分裂谱线的裂距与强度，按裂距间隔排列将成分的谱线画在线上，成分画在线下，各线的相对强度，如以原线强度为100，则其它线约为 75，37.5，12.5 等。汞546.1nm谱线分裂为 9 条等间距的谱线相邻两谱线的间距都是1 2个洛仑兹单位。(完整wor

5、d版)塞曼效应实验报告-第2页(完整word版)塞曼效应实验报告-第2页图（13）546.1nm谱线的塞曼分裂从横向角度观察，原546.1nm光谱线将分裂成 9 条彼此靠近的光谱线，如图（1-3）所示，其中包括 3 条 分量线(中心 3 条)和 6 条分量线。这些条纹互相迭合而使观察困难。由于这两种成份偏振光的偏振方向是正交的，因此我们可利用偏振片将分量的 6 条条纹滤去,只让 分量条纹留下来。由于相邻谱线之间的间距非常小，例如汞的绿光 546.1nm，B 1.20T,相邻2eB3谱线裂距1洛仑兹单位，则相邻谱线波长差为=8.310nm=0.0083nm,28mec3、实验器材如图所示，本实验

6、仪器由：WPZ-型塞曼效应仪装置，计算机、特斯拉计组成。其中 WPZ-型塞曼效应仪装置的光路部分由以下部件构成：1.聚光镜。汞灯源经过聚光镜均匀的射到F-P 标准具上。2.干涉滤光片。其作用是滤掉Hg原子发出的其他谱线，只允许546.1nm通过,透射带宽10nm，从而得到近似单色光。3.偏振片。在垂直于磁场方向观察时用以鉴别方法成分和成分。(完整word版)塞曼效应实验报告-第3页(完整word版)塞曼效应实验报告-第3页4.法布里-珀罗标准具，利用干涉原理分离不同频率的光产生分裂的谱线。5.会聚透镜（调节 CCD 摄像的光圈和焦距）。使 F-P 标准具的干涉花样成像在会聚透镜的焦平面上。4、

7、注意事项1.调整的时候要细心，没有调整好后面得不到好的图样2.要注意保护实验仪器，避免仪器跌落损坏3.注意图样的变化，避免把六条分裂当成两个三条分裂4.取点画圆时要注意点要取的适当分开些，最好都成120左右5、实验数据、实验数据处理、计算结果和估算不确定度等实验开始 B=0 时得到的未分裂图样如图一所示：图一.B=0 时未分裂图样图二.B0 时 3 条分裂图样图三.B0 时 6 条分裂图样(完整word版)塞曼效应实验报告-第4页(完整word版)塞曼效应实验报告-第4页由于U盘中毒导致B0时9 条分裂图样不能打开，第二次分析结果图片打开却没有图像。以下是利用提供的软件对B0 时 3 条分裂图

8、样进行分析计算得到的实验结果图（第一、三次）：图四.第一次分析结果(完整word版)塞曼效应实验报告-第5页(完整word版)塞曼效应实验报告-第5页图五.第三次分析结果图第二次分析得到的结果为：1.75。故三次的平均值为：1.81，单位为 1011 库仑千克，即 1.81*1011 库仑千克而查找资料得电子荷质比标准值为：1.76*1011 库仑千克故相对误差为：2.84%，在误差允许范围之内。6、分析实验结果和不确定度的来源及谈谈心得和改进方法本实验采用了高精度的 F-P 标准具，而且光学实验仪器精确度都是比较高的，但最后得到的结果并不是很理想，只能得到两位的精度，这个相对于采用的实验仪器

9、精度而言有点用宰牛刀杀鸡的意味了。通过操作实验发现本实验有以下地方会带来较大误差值得改进：1.标准具高度的调节较为困难，由于其重量较大，采用用手托的办法改变高度效果不理想。可以改用升降螺旋之类器件代替手托升降。2.用眼观察是否调整光路完毕较为困难且主观误差较大，建议采用软件判断的办法辅助判断如何调节 F-P 标准具螺旋（可计算其偏心率及圆环厚度的不同加以判断）。(完整word版)塞曼效应实验报告-第6页(完整word版)塞曼效应实验报告-第6页3.软件处理画圆时较为麻烦且精度偏低，建议提高软件的实用性，可让程序自行判断圆环并计算，直接给出结果。总之，本实验有很大的改进空间，可以使之变的更为精确

10、，且操作更为简便。7、思考题1调整法布里-珀罗标准具时，如何判别标准具的两个内平面是严格平行的？标准具调整不好会产生怎样的后果？答：可通过B=0 时得到的图样进行判断，严格平行时得到厚度均匀的同心圆，而不严格平行时将得到椭圆且厚度不均还会图样模糊。2要观察频率间隔范围为1.5GHz的He Ne纵模，l该多大为好？答：SFSR3.实验中如何观察和鉴别塞曼分裂谱线中的成分和成分?答：调节检偏器，出现三条图样的为成分，出现六条图样的即为成分4设 589.6nm时，假设相邻谱线裂距1 洛仑兹单位（即m2g2 m1g11），B 1.00T，相邻谱线波长差是多少答：0.016nm5试分析本实验引起不确定度的因素？答：1、光路元器件的损坏2、光路调整主观性强3、结果处理软件有待改进还有其他一些因素，详见误差分析部分2f1 5m，所以 l=0.1mc2l(完整word版)塞曼效应实验报告-第7页(完整word版)塞曼效应实验报告-第7页