计算机仿真实验1—塞曼效应
内容提要：
1.分析在垂直于磁场与平行于磁场方向观察Hg 546.1nm谱线在磁场中的分裂，区分π，σ+，σ-谱线，并确定磁场方向。

2.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与磁感应强度B的关系。

3.讨论塞曼效应研究原子内部能级结构的方法和应用。

目的要求：
1.通过计算机仿真软件研究汞原子（546.1nm）谱线在磁场中的分裂情况。

2.掌握法布里-珀罗标准具的原理和调节方法。

重点难点：
1.重点：垂直磁场方向观察塞曼分裂和平行磁场方向观察塞曼分裂。

2.难点：法布里-珀罗标准具的原理和调节方法。

作业：
1．如何鉴别F-P标准具的两反射面是否严格平行，如发现不平行应该如何调节？
授课情况：
1．讲述原理和仿真实验软件的操作（15min）
2．示范操作（5min）
3．学生自己完成实验（100min）
4．检查学生实验完成情况和实验室表格记录（10min）
教学设计
一、实验内容
塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。

荷兰物理学家塞曼(Zeeman)在1896年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体，使光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。

这个现象的发现是对光的电磁理论的有力支持，证实了原子具有磁距和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解。

今天我们在计算机仿真软件上掌握塞曼效应的原理,熟悉法布里-珀罗标准具的原理和调节方法。

本实验通过计算机模拟观察Hg(546.1nm)谱线垂直磁场方向的塞曼分裂和平行磁
场方向的塞曼分裂情况，并研究塞曼分裂谱的特征。

二、实验原理
原子中的电子作轨道运动和自旋运动，
产生的轨道角动量P L、自旋角动量P S、轨道
磁矩μL和自旋磁矩μS，相互关系为：
按图1进行向量迭加，可以得到μJ和P J的关系：
其中g为朗德因子
原子的总磁矩在外磁场中将受到力矩的作用，使总磁矩μJ和总角动量P J
发生旋进所引起的附加能量为：
由于μJ和P J在磁场中的取向是量子化的，即P J在磁场方向的分量只能取如下数值：
式中M为磁量子数，M=J、J-1、……-J，共有2J＋1个值。

（4）式代入（3）式得：
其中为玻尔磁子。

（5）式说明在稳定的磁场作用下，附加能量有2J+1个可能数值，也就是说由于磁场的作用，使原来的一个能级分裂成2J+1个子能级，其能级间隔为gμB B。

设某一光谱线是由能级E2和E1间的跃迁而产生的，则其谱线的频率同能级有如下关系：
在外磁场作用下，上、下两能级分别分裂为2J2+l和2J1+l个子能级；附加的能量分别为ΔE2和ΔE1；新的谱线频率与能级的关系：
分裂谱线的频率差为：
用波数差来表示：
在跃迁时，对于M的选择定则如下：
ΔＭ＝０，１，－１
ΔＭ＝０时，跃迁产生π成分；ΔＭ＝１和－１时，产生σ成分。

在垂直于磁场方向观察时，π成分的电矢量的振动方向平行于磁场方向，σ成分的电矢量的振动方向则垂直于磁场方向，称为横效应；在平行于磁场方向观察时（如让光线穿过磁极中心的孔），π成分不可见，σ成分为圆偏振光，称为纵效应。

本实验中观察波长为5461Å汞谱线的塞曼分裂。

这条谱线是伴随能级
3S
(6s7s) 跃迁到3P2(6s6p) 时产生的，在磁场作用下，分裂的能级图及跃迁所产1
生的相应谱线如图2所示。

当处于B=1T的磁场中
2、法布里-珀罗标准具的原理
要观察如此小的波长差，用一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—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—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：2dcosθ=Kλ
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：表明在给定间隔圈厚度为d的标准具中，若入射光的波长在λ～λ+Δλ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。

分辨本领为：
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%
（当光近似于正入射时），例如：d=5mm，R=90%，λ=546.1nm时Δλ=0.001nm
实验步骤：
1、点击计算机桌面上的“大学物理仿真实验 v2.0”，启动“大学物理仿
真实验”软件。

2、点击“下一页”，然后点击“塞曼效应”，进入“塞曼效应”实验主平
台。

3、在实验界面上右击鼠标，在快捷菜单上选取相应的内容，依次阅读“实
验简介”、“实验原理”、“实验仪器”、“实验内容”和“实验思考
题”。

4、在实验界面上右击鼠标，在快捷菜单上选取“实验原理演示”，在下拉
菜单中分别选取“塞曼效应原理”和“法布里-珀罗标准具的原理”，写
出两个原理的实验体会。

5、在实验界面上右击鼠标，在快捷菜单上选取“开始实验”。

（1）点击“垂直磁场方向观察塞曼分裂”
1．右击鼠标，选择“实验光路图”，按照实验光路图，安排各装置的正确位置．鼠标单击仪器，进入拖动状态；鼠标再次单击，放置仪
器．
2．打开水银辉光放电管电源．
3．调节各仪器的光路使其共轴．鼠标左键单击仪器，可以使仪器的水平高度降低；鼠标右键单击仪器，可以使仪器的水平高度升高．4．调整标准具．鼠标双击标准具，标准具进入调整状态．调节标准具，调节完毕返回。

5．右击鼠标，选择“实验项目”，点击“鉴别两种偏振成分”，改变偏振片的偏振方向，观察Hg(546.1nm)谱线的分裂情况，写出鉴别π
成分和σ成分的方法；点击“观察塞曼裂距的变化”，观察第k级
圆环和第k+1级圆环的σ成分重叠情况。

6．返回到“塞曼效应”实验主平台。

（2）点击“平行磁场方向观察塞曼分裂”
1．右击鼠标，选择“实验光路图”，按照实验光路图，安排各装置的正确位置．鼠标单击仪器，进入拖动状态；鼠标再次单击，放置仪
器．
2．打开水银辉光放电管电源．
3．调节各仪器的光路使其共轴．
4．调整标准具．
5．右击鼠标，选择“观察圆偏振光”，鉴别σ谱线的左旋和右旋圆偏振光。

6、退出“大学物理仿真实验”。

注意事项：
1、实验中注意光路和标准具的调节。

2、注意各部件的调节顺序。