光栅光谱仪探究塞曼效应光栅光谱仪探究塞曼效应20112301112 李苑婷引言引言：塞曼效应是 原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象 ，是 1896 年由荷兰物理学家塞曼发现的。首先他发现，原子光谱线在外 磁场发生了分裂 ；随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成 3 条的原因，这种现象称为 “塞曼效应”。在后来进一步研究发现，很多原子的光谱在磁场中的分裂情况 有别于前面的分裂情况，更为 复杂，称为反常塞曼效应。塞曼效应是继 1845 年法拉第效应和 1875 年克尔效应之后发现的第三个磁场对光 有影响的实验现象。塞曼效应 充分说明了原子磁矩的空间量子化 ，也即角动量量子化 ， 为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19 世纪末 20 世纪初物理学最重要的发 现之一。在研究原子机构时 利用塞曼效应可以测量电子的荷质比 ，在天体物理中，塞 曼效应还可以用来测量天体的磁场。摘要：摘要：本论文将在研究电子自旋磁矩与轨道磁矩耦合为总磁矩，在外磁场作用下引起 的附加能量不同，造成能级分裂，从而导致光谱线的分裂的现象的基础上。进一步研究 Hg346.1 在光栅光谱仪上的分裂，分裂的谱线数及波长位置，并深入研究 Hg 其他波长的谱 线的分裂。 关键词：塞曼效应、光栅光谱仪、汞光谱、分裂关键词：塞曼效应、光栅光谱仪、汞光谱、分裂一、基础实验原理一、基础实验原理 根据原子理论，原子中的电子既作轨道运动又作自旋运动。原子的总轨道磁矩 L与总 轨道角动量 pL的关系为：（1）2LLepm其中（2）(1)LpL Lh原子的总自旋磁矩 S与总自旋角动量 PS的关系为：（3）SSepm其中（4）(1)SpS Sh上式（1） 、 （2） 、 （3）和（4）中：m 为电子质量，L 为轨道角动量量子数，S 为自旋量子数， 为普朗克常数除以 2。 而对于原子的总磁矩 J，其大小由下式确定：（5）2JJegpm其中（6）2JJegpm其中，J 为总角动量量子数，g 为朗德因子。本次实验研究的汞原子的角动量耦合方式主要 是 LS 耦合，存在（7）) 1(2) 1() 1() 1(1JJSSLLJJg原子在磁场中的附加能量 E 为：（8）cos2cosBpmegBEJJ其中， 为 pJ与 B 的夹角。角动量在磁场中取向是量子化的，即：（9）JJJMMpJ,.,1,cosh其中，M 为磁量子数。因此，（10）BmeMgE2h可见，附加能量不仅与外磁场 B 有关系，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，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之间的跃迁产生的光谱线频率 为：（11）21EE h外加磁场时，分裂后的谱线频率 为：(12)hEEEE)()(1122分裂后的谱线与原来谱线的频率差 为：212211()/()4eBEEhM gM gmc (13)能级之间的跃迁必须满足选择定则，0, 1(00)JJJ 禁戒。M01J，（=0时，M =0M =0禁戒）当 M=0 时，产生 线，沿垂直于磁场方向观察时， 线为光振动方向平行于磁场的 线偏振光，沿平行于磁场方向观察时，光强度为零，观察不到。 当 M=1 时，产生 线，迎着磁场方向观察时， 线为圆偏振光，M=+1 时为左旋 圆偏振光，M=-1 时为右旋圆偏振光。沿垂直于磁场方向观察时， 线为线偏振光，其电 矢量与磁场垂直。根据上述的分裂规则，汞 4358 的在磁场中的理论分裂图如下所示：A。10 g=2-11 0 g=3/2 -113S13P 435.8nm实验装置：二、实验装置二、实验装置实验装置图如下图 2 所示图 2 实验装置示意图一个洛伦兹单位对应的波长差为2L%（14）图 1 汞 4358 的在磁场中的理论分裂图A。其中0.4674eBLBmc（15）当时，。因此，拍摄光谱时需要色散大的光谱仪。B1T500nm，0.01nm三、实验内容及步骤三、实验内容及步骤（1）扫描仪波长选取：545.5546.5，扫描步长：0.01，不加磁场，不加聚光透镜及分光 镜，重复扫描，根据波形反映的问题，调整聚光透镜、分光镜，直到出现合适的谱线波形；（2）加磁场，重复（1）操作； （3）加磁场，加聚光透镜，重复（1）操作； （4）加磁场，加聚光透镜及分光镜，重复（1）操作； （5）扫描仪波长改为：460660，扫描步长改为：0.1，重复（1）操作，得到波形后，选 取其中一个谱线如同 546.1 谱线那样研究；（本实验选取了波长为 579.1 的谱线） （6）扫描仪波长选取：578.5579.5，扫描步长：0.01，不加磁场，不加聚光透镜及分光 镜，重复扫描，根据波形反映的问题，调整聚光透镜、分光镜，直到出现合适的谱线波形；（7）加磁场，重复（6）操作； （8）加磁场，加聚光透镜，重复（6）操作； （9）加磁场，加聚光透镜及分光镜，重复（6）操作；四、实验结果及数据记录整合四、实验结果及数据记录整合（1）（4）（5）（6）（9）1（9）2五、实验分析观察波形可发现观察波形可发现 （1）汞在可见光区有汞在可见光区有 6 条，谱线，波长，能量相对大小如图所示。条，谱线，波长，能量相对大小如图所示。（2）Hg546.1 的谱线分裂谱线如图：的谱线分裂谱线如图：（3）579.1 谱线可分裂成谱线可分裂成 9 条谱线如图：条谱线如图：（4）对比图）对比图(9)1 与图（与图（9）2，图，图(9)1 测量不到分裂的谱线，而图（测量不到分裂的谱线，而图（9）2 中能够检测到，中能够检测到， 说明要测量到说明要测量到 Hg579.1 分裂的谱线还要通过一定角度的偏振片。分裂的谱线还要通过一定角度的偏振片。六、实验装置图（实物）六、实验装置图（实物）7、参考文献参考文献【1】 近代物理实验 熊俊 主编 北京师范大学出版社 【2】 原子物理学 杨福家 著高等教育出版社