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J g— P J，其中2m P J J J 1 为总角动量，在L —S 耦合的情况下朗德因子为J J I LL1 SS1g 1 。

原子磁矩在外磁场中受到力矩L J B的作用使j绕磁场2J J 1e e方向作旋进，产生附加能量 E j Bcos g P j Bcos Mg B，由于巳j在外磁场2m 2m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：--光谱线在B=0时，h E2 E1 ； B 0时，新的谱线h E2E2E1E1hM 2 g2e BM 1 g1 (选择疋则2mM 0, 1 )以汞光546.1nm的谱线跃迁的两能级(2 S r3P 2)为例，在有磁场时看能级的塞曼分裂与跃迁：塞曼效应实验2. (3)本实验观测波长为546.1 nm的谱线的塞曼分裂跃迁为S r34 P 2 ,在磁场中将发生反常塞曼e效应，塞曼裂距为一 M 2g 2 M 1g 1对于如图所示的分裂有4 meD bk 1 D ak 1分别为相邻的b 谱线a 谱线的k-1级干涉环直径，D bk 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D bk 1 D ak 1及D bk ,代入（1）式中计算 ~ （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？2 k( i )D k2d D2k iD2kM 2g 2 M i g 2(d 2.7mm)4 me(1)2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 在也就是总角动量（P J ）绕磁场方向旋进。

（2）磁矩贬F 在外磁场中的磁能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，且能级间隔或再在磁场中的取向量子化，所以其在磁场方向分量也量子化:爲片= Mh = v~—原子受磁场作用而旋进引起的附加能量外磁场中受到力矩的作用其效果是磁矩绕磁场方向旋进,由于23"塞曼分裂谱线与原谱线关系（1） 基本出发点: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，M 2=0到M i =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B - 0E 于0—上2一+ . n -/：- v rV■ 11_] 1 丄 i ■ ； |7定义7•••分裂后谱线与原谱线频率由于为方便起见，常表示为波数差观察者时：。

國△ 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波电矢量绕逆时针方向转动，在光学上称为左旋圆偏振光 与圜反向 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 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守恒的。

原子在磁场方向角动量为•••在磁场指向观察者时：。

國 当△ M= +1时，光子角动量为电磁实验方法 观察塞曼分裂的方法 塞曼分裂的波长差很小由于以Hg 5461 ?谱线为例 当处于B=1T 的磁场中L 1匸 ¥ = — = 一.：丄 b / =< .= 13.3 一;口一 '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，与同向 △ M=-1时，光子角动量为例：Hg 5461?谱线，{6S7S}3S I — {6S6P}3P 2 能级跃迁产生分裂后，相邻两谱线的波数差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+△间（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。

似于正入射时）例如：d=5mm ，R=90%，入=546.1 nm 寸 △入=0.001 nm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 Hg 546.1 nm 谱线在磁场中的分裂，区分n （/， &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 ，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？圆环。

当d T 时，K T,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。

标准具在空气中使用时，干涉方程（干涉极大值）为R 为反射率,设计方案用塞曼分裂计算电子的荷质比。

分析 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 分辨本领：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（当光验证塞曼分裂的裂距依据问题 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:F — P 标准具则两套干涉环就要产生重叠或错级。

当 d 确定后，^■是个确定的值。

实验中平行于磁场方向观察要求区分c 振与&偏振，并说明各自对应的宴II 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。

问题 为什么要强调磁场方向与观察方向的关系？ 所对应的圆偏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， 绘出跃迁的能级当时, 磁场正方向上有角动量指向观察者时，电矢量绕逆时针方向转动，在光学上叫做左旋圆偏振光。

同样，沿着磁场方向 时原子在磁场方向角动量增加m因此发射光子必定具有在磁场相反方向上的角动量。

即：磁场指向观察者时，这个电物理意义：若两谱线波长差 ＞自由光谱范围（或曲）,塞曼裂距:恒的。

原子在磁场方向角动量原子在磁场方向角动量减少当平行于磁场观察时，观察到&偏振为右旋圆偏振光。

同理,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P L表征)，一方面本身做自旋运动(用角动量P S表征)，将分别产生轨道磁矩M L和自旋磁矩宙，它们与角动量的关系是：p L —— P L 妙=—P S (3 . 1-1 )P L与P S合成总角动量P J并分别绕P J旋进，p L与p合成总磁矩仏卩在P J延线上的分量p J 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L i、L2合成L; S i、S2合成S; L、S又合成J。

因此p在P J延线上的分量p J与P J的关系是：p J——g P J (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g—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 —— p J H cos a—Mg pB H (3. 1-4)式中p=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 —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：△= = =（M 2g 2 — M 1 g 1）=（M 2g 2 — M 1 g 1）L （3 . 1- 5）式中L=称为洛伦兹单位。