西安交大塞曼效应实验资料报告材料.doc
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1、塞曼效应1896年,荷兰物理学家塞曼P.Zeeman在实验中发现,当光源放在足够强的磁场中时,原来的一条光谱线会分裂成几条光谱线,分裂的条数随能级类别的不同而不同,且分裂的谱线是偏振光。这种效应被称为塞曼效应。需要首先指出的是,由于实验先后以与实验条件的缘故,我们把分裂成三条谱线,裂距按波数计算正好等于一个洛伦兹单位的现象叫做正常塞曼效应洛伦兹单位。而实际上大多数谱线的塞曼分裂谱线多于三条,谱线的裂距可以大于也可以小于一个洛伦兹单位,人们称这类现象为反常塞曼效应。反常塞曼效应是电子自旋假设的有力证据之一。通过进一步研究塞曼效应,我们可以从中得到有关能级分裂的数据,如通过能级分裂的条数可以知道能
2、级的值;通过能级的裂距可以知道因子。塞曼效应至今仍然是研究原子能级结构的重要方法之一,通过它可以准确测定电子的荷质比。一实验目的1.学习观察塞曼效应的方法观察汞灯发出谱线的塞曼分裂;2.观察分裂谱线的偏振情况以与裂距与磁场强度的关系;3.利用塞曼分裂的裂距,计算电子的荷质比数值。二实验原理1、谱线在磁场中的能级分裂设原子在无外磁场时的某个能级的能量为,相应的总角动量量子数、轨道量子数、自旋量子数分别为。当原子处于磁感应强度为的外磁场中时,这一原子能级将分裂为层。各层能量为 1其中为磁量子数,它的取值为,.,共个;为朗德因子;为玻尔磁矩;为磁感应强度。对于耦合 2假设在无外磁场时,光源某条光谱线
3、的波数为 3式中 为普朗克常数;为光速。而当光源处于外磁场中时,这条光谱线就会分裂成为假设干条分线,每条分线波数为别为所以,分裂后谱线与原谱线的频率差波数形式为 4式中脚标1、2分别表示原子跃迁后和跃迁前所处在的能级,为洛伦兹单位,外磁场的单位为特斯拉,波数的单位为 。 的选择定如此是:时为 成分,是振动方向平行于磁场的线偏振光,只能在垂直于磁场的方向上才能观察到,在平行于磁场方向上观察不到,但当时,的跃迁被禁止;时,为成分,垂直于磁场观察时为振动垂直于磁场的线偏振光,沿磁场正方向观察时,为右旋偏振光, 为左旋偏振光。假设跃迁前后能级的自旋量子数都等于零,塞曼分裂发上在单重态间,此时,无磁场时
4、的一条谱线在磁场作用下分裂成三条谱线,其中对应的仍然是态,对应的是态,分裂后的谱线与原谱线的波数差。这种效应叫做正常塞曼效应。下面以汞的谱线为例来说明谱线的分裂情况。汞的波长的谱线是汞原子从到能级跃迁时产生的,其上下能级的有关量子数值和能级分裂图形如表11所示。表11原子态符号01121、0、12、0、21223/22、1、0、1、23、3/2、0、3/2、3可见,的一条谱线在磁场中分裂成了九条谱线,当垂直于磁场方向观察时,中央三条谱线为成分,两边各三条谱线为成分;沿磁场方向观察时,成分不出现,对应的六条线分别为右旋和左旋偏振光。2、法布里珀罗标准具塞曼分裂的波长差很小,波长和波数的关系为,假
5、设波长的谱线在的磁场中,分裂谱线的波长差约只有。因此必须使用高分辨率的仪器来观察。本实验采用法布里珀罗标准具。标准具是由平行放置的两块平面玻璃或石英玻璃板组成,在两板相对的平面上镀有高反射率的薄银膜,为了消除两平板背面反射光的干预,每块板都作成楔形。由于两镀膜面平行,假设使用扩展光源,如此产生等倾干预条纹。具有一样入射角的光线在垂直于观察方向的平面上的轨迹是一组同心圆。假设在光路上放置透镜,如此在透镜焦平面上得到一组同心圆环图样。 在透射光束中,相邻光束的光程差为 5 取 6产生亮条纹的条件为 7式中为干预级次;为入射光波长。 我们需要了解标准具的两个特征参量是1、 自由光谱围标准具参数 或同
6、一光源发出的具有微小波长差的单色光和 ,入射后将形成各自的圆环系列。对同一干预级,波长大的干预环直径小,所示。如果和的波长差逐渐加大,使得的第级亮环与的第级亮环重合,如此有 8 得出 9由于大多数情况下,8式变为 并带入9式,得到 10 它明确在中,当给定两平面间隔后,入射光波长在间所产生的干预圆环不发生重叠。 2、 分辨本领 定义为光谱仪的分辨本领,对于标准具,它的分辨本领为 11为干预级次,为精细度,它的物理意义是在相邻两个干预级之间能分辨的最大条纹数。依赖于平板外表反射膜的反射率。 12反射率越高,精细度就越高,仪器能分辨开的条纹数就越多。利用标准具,通过测量干预环的直径就可以测量各分裂
7、谱线的波长或波长差。参见图2,出射角为的圆环直径与透镜焦距间的关系为 ,对于近中心的圆环很小,可以认为,于是有 13 代入到7式中,得 14 由上式可推出同一波长相邻两级和级圆环直径的平方差为 15 可以看出,是与干预级次无关的常数。设波长和的第级干预圆环直径分别为和,由14式和15式得得出波长差 16波数差 173、 用塞曼效应计算电子荷质比对于正常塞曼效应,分裂的波数差为代入测量波数差公式17,得 18 假设和,从塞曼分裂中测量出各环直径,就可以计算出电子荷质比。三试验容通过观察绿线在外磁场中的分裂情况并测量电子荷质比。1、 在显示器上调整并观察光路。 实验装置图1、在垂直于磁场方向观察和
8、纪录谱线的分裂情况,用偏振片区分成分和成分,改变励磁电流大小观察谱线分裂的变化,同时观察干预圆环中成分的重叠。2、在平行于磁场方向观察纪录谱线的分裂情况与变化。3、利用计算机测量和计算电子的荷质比,打印结果。四原始数据记录:见附页五数据处理与分析:1.计算电子荷质比:测量圆环直径:见附页图中标注;经过测量可得 Dk-1,1=27.2cm; Dk-1,2=28cm; Dk,2=20.6cm; 计算电子荷质比Dk-12- Dk2=Dk-1,12- Dk,12+Dk-1,22- Dk,22+Dk-1,32- Dk,32/3 =27.22-19.62+282-20.62+28.72-21.52/3 c
9、m2 =358.92 cm2Db2-Da2=Dk-1,22- Dk-1,12+Dk-1,32- Dk-1,22+Dk,22- Dk,12+Dk,32- Dk,22/4 =(44.16+39.69+40.2+37.89) /4 cm2 =40.485 cm2再取n=1.458(玻璃)108m/s, B=907mT代入公式 得:1011C/kg 计算相对误差: 电子荷质比的理论计算值为:1011C/kg 电子荷质比的相对百分误差为: Er= 10111011/1011100% =10.2%误差分析:1. 测量磁场时霍尔元件可能未与磁场完全垂直而导致测量的磁场偏小而导致误差;2. 未能给出法珀腔介质
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