《塞曼效應(yīng)》word版

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1、塞曼效應(yīng)1.實驗?zāi)康?.1.掌握塞曼效應(yīng)理論,測定電子的荷質(zhì)比,確定能級的量子數(shù)和朗德因子,繪出躍遷的能級圖。1.2.掌握法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的原理和使用。1.3.觀察塞曼效應(yīng)現(xiàn)象，并把實驗結(jié)果和理論結(jié)果進行比較，同時了解使用CCD及多媒體計算進行實驗圖像測量的方法。2.實驗儀器研究塞曼效應(yīng)的實驗儀器包括：電磁鐵，汞燈，會聚透鏡，偏振片，透射干涉濾光片，法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，望遠鏡，CCD圖像傳感器及鏡頭，汞燈電源，磁鐵電源，多媒體計算機和圖像卡。將這些儀器按照圖5-1組裝后即可用于與實驗。圖5-1塞曼效應(yīng)實驗裝置示意圖在本實驗

2、中，于電磁鐵的兩極之間放上一支水銀輝光放電燈，用交流電源220v通過自耦變壓器接電燈變壓器點燃放電管。自耦變壓器用來調(diào)節(jié)放電管的電流強度。實驗中把自耦變壓器調(diào)節(jié)到75V上。電磁鐵用直流穩(wěn)壓電源供電，電流與磁場的關(guān)系可用高斯計進行測量，使用電磁鐵時要先接通冷卻水，然后慢慢調(diào)節(jié)自耦變壓器，使磁場電流緩慢達到5A。注意磁場電流不準(zhǔn)超過5A，以免電磁鐵電源燒壞。多媒體計算機采用Pentium-133以上機型，加裝視頻多媒體組件，工作于32位Windows操作環(huán)境。視頻多媒體組件的核心是多媒體圖像采集卡，可將輸入的PAL或NTSC制視

3、頻信號解碼并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，此信息可用于在計算機顯示器上同步顯示所輸入的電視圖像，并可作進一步的分析處理。本實驗中用CCD作為光探測器，通過圖像卡使F-P標(biāo)準(zhǔn)具的干涉花樣成像在計算機顯示器上，實驗者可使用本實驗專用的實時圖像處理軟件讀取實驗數(shù)據(jù)。3.實驗原理3.1.塞曼效應(yīng)簡介當(dāng)光源放在足夠強的磁場中時，所發(fā)出的光譜線都分裂成幾條，條數(shù)隨能級的類別而不同，而分裂后的譜線是偏振的，這種現(xiàn)象被稱為塞曼效應(yīng)。塞曼效應(yīng)證實了原子具有磁距和空間取向量子化的現(xiàn)象。塞曼效應(yīng)分為正常塞曼效應(yīng)和反常塞曼效應(yīng)。正常塞曼效應(yīng)是指那些譜線分裂為三條

4、，而且兩邊的兩條與中間的頻率差正好等于，對于這種現(xiàn)象，經(jīng)典理論可以給予很好的解釋。7但實際上大多數(shù)譜線的分裂多于三條，譜線的裂距是的簡單分?jǐn)?shù)倍，這種現(xiàn)象被稱為反常塞曼效應(yīng)。下面具體討論塞曼效應(yīng)中外磁場對原子能級的作用。1.1.原子的總磁矩與總動量矩的關(guān)系因為原子中的電子同時具有軌道角動量PL和自旋角動量Ps。相應(yīng)的，它也同時具有軌道磁矩軌道微矩和自旋磁矩，并且它們有如下關(guān)系。(5-1)其中(5-2)(5-2)式中L,S分別表示軌道量子數(shù)和自旋量子數(shù)。原子核也有磁矩，但它比一個電子的磁矩要小三個數(shù)量級，故在計算單電子原子的磁矩

5、時可以把原予核的磁矩忽略，只計算電子的磁矩。?對于多電子原，考慮到原子總角動量和總磁矩為零，故只對其原子外層價電子進行累加。磁矩的計算可用圖5-2的矢量圖來進行。圖5-2電子磁矩與角動量關(guān)系由于μS與Ps的比值比μL與PL的比值大一倍，所以合成的原子總磁矩不在總動量矩PJ的方向上。但由于μ繞PJ運動，只有μ在PJ方向的投影μJ對外平均效果不為零。根據(jù)圖5-2可計算出有μJ與PJ的關(guān)系如下。(5-3)上式中的g就是郎德因子。它表征了原子的總磁矩與總角動量的關(guān)系，而且決定了能級在磁場中分裂的大小。在考慮LS耦合的情況下，郎德因子

6、可按下式計算。(5-4)71.1.外磁場對原子能級作用原子的總磁矩在外磁場中受到力矩L的作用，可按下式計算。???????(5-5)力矩L使總角動量發(fā)生旋進，角動量的改變的方向就是力矩的方向。原子受磁場作用而旋進所引起的附加能量如下??????(5-6)其中角α和β的意義如圖5-3所示。圖5-3原子總磁矩受場作用發(fā)生的旋進由于或在磁場中的取向是量子化的，也就是PJ在磁場方向的分量是量子化的，PJ的分量只能是h的整數(shù)倍。(5-7)其中M稱為磁量子數(shù)，M=J,(J-l),……,-J，共有2J+1個M值。、將(5-7)式代到(5-

7、6)式可得???(5-8)這樣，無外磁場時的一個能級，在外磁場的作用下可以分裂成2J+1個子能級。每個子能級的附加能量由(5-8)式?jīng)Q定，它正比于外磁場磁感應(yīng)強度B和郎德因子g。1.2.塞曼效應(yīng)的選擇定則設(shè)譜線是由E1和E2兩能級間躍遷產(chǎn)生的，此譜線的頻率由下式確定??????(5-9)在外場作用下的能級E2和E1分別分裂為(2J2+l)和(2Jl+l)個能級，附加能量分別是ΔE2和ΔE1，產(chǎn)生出新的譜線頻率可由下式確定??????(5-10)那么分裂后譜線與原譜線的頻率差為7???(5-11)引入波數(shù)使用波數(shù)差來表示頻率差

8、(5-12)躍遷必須滿足以下選擇定則i.當(dāng)M＝0，垂直于磁場方向觀察，產(chǎn)生π線，為光振動方向平行于磁場方向的線偏振光(當(dāng)J=0，M2=0→Ml=0除外，如汞的4358埃譜線就有此情況)。平行于磁場方向觀察不到π線，即其強度為零。ii.當(dāng)M＝±1，垂直于磁場方向觀察時，可觀察到σ線，為光振動