36 物理实验 第3卷 置为 管道末端装有钨丝，需被加热到800℃以上 (4) 钾原子碰到炽热钨丝时，由于热电离而成为正秘 子，并被再次蒸发，被电场加速，钾离子被收集形 在实验中，获得的是俯转原子束在检测平面 成电流，放大后由毫安表指示。钨丝放置方向与 上的束强分布图，可进行如下分析： 缝一政，并可在方向移动，用来测量椰原子主 1)分离的原子束斑应该有2J+1个，由此可 流的：向分布 直接判断出角量子数J: 4)真空获得与测量系统 2)确定每个宋斑所对应的m值，任意2个宋 整个束流系统需要超高直空，日的在于增加 斑之间的间距决定于△mg,相邻的束斑间隔大小 原子的自由程，降低碰撞概率，提高空间分辨率 决定于朗德因子g,夏的数值反映了原子内部轨 在空气中会迅速氧化，炽热的钨丝 道与自旋的耦合信息： 在空气中也会 ,所以真空要优 -6× 3)获得和g后可求出顶子的楼矩 超高真空是由机械泵、扩散泵和钛泵逐步实现的 4)对于已知原子态，g和其他量都确定时，式 最终实验时，单独由钛泵中的钛来吸附气体，从而 (4)可以用来测定基本物理量： 实现超高直空，防止扩散泵的油分子回流，测量 5)单独改变磁场梯度，束斑位置应会发生相 真空的设备则有温差偶规和电离规，分别工作在 应的线性变化。 不同的压强范臣 3设备系统介绍 5)其他外围设备 220V交流电经电源变换后，输出的交流申 现代Stern-Gerlach实验仪采用钾原子宋，通 流分别用于钾源熔护加热和钨丝探针加热，输出 过极靴产生非均匀磁场，把具有不同，值的原子 的直流电流则用于电磁铁的励磁电流。另外还有 分开.实验装置主体为一管型超高真空系统（见 电流表、电压表等用于实验数据的测量 图2)，整个仪器可分为以下几个系统 4 理论束形分析 地准直辣镜 极数肤自由行区鹤 熔炉内的原子气体在绝对温度丁下保持热 骑空管原子束 平衡，速奉。遵循麦克斯韦分布律 防磁电流 fo）=4世(2T)e (5) 真空获得与测量设备 测量仅表 式中为玻尔兹曼常量 原子蒸发电流 电源 设原子数密度为，则单位时间内从熔炉狭 】钨丝加热电 缝泻流的原子数量为 图2 Stem-Gerlach实验仪结构示意 N=m (6) 1)原子束流产生系绕 假设不考虑狭缝大小，原子都沿水平方向泻 熔炉内采用电阻丝加热蒸发钾，用温差电偶 流（这样假设不影响最终结果），则单位时间内 测量炉内温度.炉内真空约0.1Pa,钾在170 流出原子的速率分布为 200℃温度下蒸发，蒸汽通过小孔向超高点空筲 (7) 道内泻流，流出的原子经过三级狭 缝后，准直成为 原子经过磁场偏转后，单位时间内，最后沉积 沿水平方向前进的细束 在屏上的密度分布I(:)应该满足 2)磁场偏转系统 I()d=F(v)(-dv) 非均匀磁场由电磁铁产生，励磁线圈和铁 式中负号表示速度世增加时，位置三值成小 在真空室外，极靴在真空室内，磁场强度和磁场树 联合式(4)，(7)与(8)整理得 度由励磁电流决定， 3)原子探测系统 (9) 1004.2015chma Jou al Electronic Publishing House A I /www.cnki.ne 置为 ｚ２＝ｍｇμＢ Ｂｚ ｚ·ｄＤ ｍｖ２ ． （４） 在实验中，获得的是偏转原子束在检 测 平 面 上的束强分布图，可进行如下分析： １）分离的原子束斑应该有２Ｊ＋１个，由此可 直接判断出角量子数Ｊ； ２）确定每个束斑所对应的 ｍ 值，任意２个束 斑之间的间距决定于 Δｍｇ，相邻的束斑间隔大小 决定于朗德因 子ｇ，ｇ 的数值反映了原子内部轨 道与自旋的耦合信息； ３）获得Ｊ 和ｇ 后可求出原子的磁矩μ； ４）对于已知原子态，ｇ和其他量都确定时，式 （４）可以用来测定基本物理量μＢ； ５）单独改变磁场梯度，束斑位置应会发生相 应的线性变化． ３ 设备系统介绍 现代Ｓｔｅｒｎ－Ｇｅｒｌａｃｈ实验仪采用钾原子束，通 过极靴产生非均匀磁场，把具有不同μｚ 值的原子 分开．实验装置 主 体 为 一 管 型 超 高 真 空 系 统（见 图２），整个仪器可分为以下几个系统． 图２ Ｓｔｅｒｎ－Ｇｅｒｌａｃｈ实验仪结构示意图 １）原子束流产生系统 熔炉内采用电阻丝加热蒸发钾，用温 差 电 偶 测量炉内温度．炉 内 真 空 约０．１Ｐａ，钾 在１７０～ ２００ ℃温度下蒸发，蒸汽通过小孔向超高真空管 道内泻流，流出的原子经过三级狭缝后，准直成为 沿水平方向前进的细束． ２）磁场偏转系统 非均匀磁场由电磁铁产生，励磁线圈 和 轭 铁 在真空室外，极靴在真空室内，磁场强度和磁场梯 度由励磁电流决定． ３）原子探测系统 管道末端装有钨丝，需被加热到８００℃以上． 钾原子碰到炽热钨丝时，由于热电离而成为正离 子，并被再次蒸发，被电场加速，钾离子被收集形 成电流，放大后由毫安表指示．钨丝放置方向与 狭缝一致，并可在ｚ方向移动，用来测量钾原子束 流的ｚ向分布． ４）真空获得与测量系统 整个束流系统需要超高真空，目的在 于 增 加 原子的自由程，降低碰撞概率，提高空间分辨率． 另外，钾源暴露在空气中会迅速氧化，炽热的钨丝 在空气中也会烧坏，所以真空要优于６×１０－４ Ｐａ． 超高真空是由机械泵、扩散泵和钛泵逐步实现的． 最终实验时，单独由钛泵中的钛来吸附气体，从而 实现超高真空，防止扩散泵的油分子回流．测量 真空的设备则有温差偶规和电离规，分别工作在 不同的压强范围． ５）其他外围设备 ２２０Ｖ 交流电 经 电 源 变 换 后，输 出 的 交 流 电 流分别用于钾源熔炉加热和钨丝探针加热，输出 的直流电流则用于电磁铁的励磁电流．另外还有 电流表、电压表等用于实验数据的测量． ４ 理论束形分析 熔炉内的原 子 气 体 在 绝 对 温 度 Ｔ 下 保 持 热 平衡，速率ｖ遵循麦克斯韦分布律［１１］ ｆ（ｖ）＝４πｖ２ ｍ （ ） ２πｋＴ ３／２ ｅ－ｍｖ２ ２ｋＴ ， （５） 式中ｋ为玻尔兹曼常量． 设原子数密 度 为ｎ，则单位时间内从熔炉狭 缝泻流的原子数量为 Ｎ＝１ ４ｎｖ ． （６） 假设不考虑狭缝大小，原子都沿水平 方 向 泻 流（这样假设不影响最终结果［１２］），则单位时间内 流出原子的速率分布为 Ｆ（ｖ）＝ｎπｖ３ ｍ （ ） ２πｋＴ ３／２ ｅ－ｍｖ２ ２ｋＴ ． （７） 原子经过磁场偏转后，单位时间内，最后沉积 在屏上的密度分布Ｉ（ｚ）应该满足 Ｉ（ｚ）ｄｚ＝Ｆ（ｖ）（－ｄｖ）， （８） 式中负号表示速度ｖ增加时，位置ｚ值减小． 联合式（４），（７）与（８）整理得 Ｉ（ｚ）＝ｎπＣ２ ２ｚ３ ｍ （ ） ２πｋＴ ３／２ ｅ－ ｍＣ ２ｋＴｚ ， （９） ６３ 物 理 实 验 第３３卷