塞曼效应 塞曼 P.Zeeman 1865-1943 荷兰物理学家
实验背景 塞曼效应是继法拉第1845年发现旋光效应,克尔 1875年发现电克效应和1876年发现克尔磁光效应之后， 由荷兰物理学家塞曼于1896年发现的又一个磁光效应。 法拉第旋光效应和克尔效应的发现在当时引起了众多 物理学家的兴趣。1862年法拉第出于“磁力和光波彼此 有联系”的信念,曾试图探测磁场对钠黄光的作用,但因 仪器精度欠佳未果
塞曼在法拉第的信念的激励下,经过多次的失败,最 后用当时分辨本领最高的罗兰凹面光栅和强大的电磁 铁,终于在1896年发现了钠黄线在磁场中变宽的现象, 后来又观察到了镉蓝线在磁场中的分裂。 塞曼在洛仑兹的指点和洛仑兹经典电子论的指导 下,解释了正常塞曼效应和分裂后的谱线的偏振特性,并 且估算出的电子的荷质比与几个月后汤姆逊从阴极射 线得到的电子荷质比相同。 塞曼效应不仅证实了洛仑 兹电子论的准确性,而且为汤姆逊发现电子提供了证据。 也证实了原子具有磁矩并且空间取向是量子化的。 1902年洛仑兹和塞曼因此而共享了诺贝尔物理学奖
本实验通过高分辨率的分光器件法布里-珀罗观察 5461 汞绿线在磁场中的分裂并测量分裂谱线的波 数差 等物理量。 实验目的 1、加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理 学概念的理解 2、学习法布里-珀罗标准具和CCD器件在光谱测 量中的应用 A 0
实验原理 塞曼效应的产生是原子磁距与外加磁场作用的结果。 根据原子物理理论，原子中的电子既作轨道运动又作 自旋运动。原子的总轨道磁距 与总轨道角动量 的 关系 为： pL L (1) , ( 1) 2 = P P = L L + m e L L L
原子的总自旋磁矩 与总自旋角动量 的关系为： 原子的轨道角动量和自旋角动量合成为原子的总角动 量 ，原子的轨道磁距和自旋磁距合成为原子的总磁 距 。 J称为原子的有效磁矩大小由下式决定 pS (2) (3) s ps m e = ps = S(S +1) , ( 1) 2 = P p = J J + m e J g J J pJ s
对于LS耦合有 在外磁场的作用下,原 子总角动量PJ和磁距 J 绕磁场方向进动，原子在 磁场中的附加能量E如 （5）式。 2 ( 1) ( 1) ( 1) ( 1) 1 + + − + + + = + J J J J L L S S g (4)
角动量在磁场中取向是量子化的，如（6）式所 示，这样附加能量又可表示为（7）式 cos 2 cos p B m e E = − J B = g J p M M J J J J cos = , = , −1,,− B m e E Mg 2 = (5) (6) (7)
附加能量不仅与外磁场B有关，还与朗德因子g有关。磁量 子数M共有2J+1个值，因此原子在外磁场中时原来的一个 能级将分裂成 2J+1个子能级。 未加磁场时，能级E2和E1之 间跃迁产生的光谱线频率为 在磁场中，分裂后谱线频率为 ˊ分裂后的谱线与原谱线的 频率差 为 hv = E2 − E1
(8) (9) m eB E E M g M g h v v v 4 ( ) ( ) 1 − = 2 − 1 = 2 2 − 1 1 = ( ) ( ) E2 E2 E1 E1 hv = + − + M g M g L m c eB v M g M g ( ) 4 ( ) ~ 2 2 1 1 2 2 1 1 = − = − 3 1 4.67 10− − 令L=eB/ （4πmc） L = Bm （B的单位取Gs）,L称为洛仑兹单位。磁量子数M的选 择定则为 但是，并非任何两个能级的跃迁都是可能的。 M = M2 − M1 = 0, 1