塞曼效应实验解读(4)

塞曼效应是中等磁场（Ｈ≈1～2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（Ｈ＜０．０1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△ ＝４．６７×10－1ｃｍ－1，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

Δ＝２ｎdｃｏｓφ＝ｋλ （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Δλ可表示为

Δλ= (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λ＝５４６1?,则Δλ＝0．７5?, △ =２．５ｃｍ－1。

（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δ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ε，在考虑到Ｒ≈1时有 ε= （3.1-13）

相应可分辨的频率间隔d 与自由光谱范围Δ （＝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

λ＝５４６1?,当Ｒ＝0．９时，λ／dλ≈２．２×105，即对５４６1?能分辨的波长差为 ２．５×10－2?，相应的波数差为８．４×10－2ｃｍ－1，因此它完全满足实验的要求。

２．CCD摄像器件

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 l1.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π光和σ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，则荧屏上条纹也相应移动。分别测量π光和σ光条纹的直径。注意：由于π光和σ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θK很小，故θK＝ＤK／ｆ，此处θK为干涉极大φ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λ和λ′＝λ＋ｄλ（λ′代表分裂谱线波长），利用λ≈2ｎｄ／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 = =４．６７×1０－1ｃｍ－1Ｔ－1

确定（Ｍ2ｇ2－Ｍ1ｇ1）的数值，对于ΔＭ＝０的π光，理论值（Ｍ2ｇ2－Ｍ1ｇ1）＝1／2，将实验结果与之比较，计算出误差。对于ΔＭ＝±1的σ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θK很小，故θK＝ＤK／ｆ，此处θK为干涉极大φ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λ和λ′＝λ＋ｄλ（λ′代表分裂谱线波长），利用λ≈2ｎｄ／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 = =４．６７×1０－1ｃｍ－1Ｔ－1

确定（Ｍ2ｇ2－Ｍ1ｇ1）的数值，对于ΔＭ＝０的π光，理论值（Ｍ2ｇ2－Ｍ1ｇ1）＝1／2，将实验结果与之比较，计算出误差。对于ΔＭ＝±1的σ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。 数据处理

Ｄ2K－1－Ｄ2K数值的不变性

由于θK很小，故θK＝ＤK／ｆ，此处θK为干涉极大φ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λ和λ′＝λ＋ｄλ（λ′代表分裂谱线波长），利用λ≈2ｎｄ／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 = =４．６７×1０－1ｃｍ－1Ｔ－1

确定（Ｍ2ｇ2－Ｍ1ｇ1）的数值，对于ΔＭ＝０的π光，理论值（Ｍ2ｇ2－Ｍ1ｇ1）＝1／2，将实验结果与之比较，计算出误差。对于ΔＭ＝±1的σ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。

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库塞曼效应实验解读(4)在线全文阅读。