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塞曼效应
实验目的
掌握塞曼效应理论,测定电子的荷质比,确定能级的量子数和朗德因子,绘出跃迁的能级图。
掌握法布里—珀罗标准具的原理和使用。
观察塞曼效应现象,并把实验结果和理论结果进行比较,D及多媒体计算进行实验图像测量的方法。
实验仪器
研究塞曼效应的实验仪器包括:电磁铁,汞灯,会聚透镜,偏振片,透射干涉滤光片,法布里-珀罗标准具,D图像传感器及镜头,汞灯电源,磁铁电源,多媒体计算机和图像卡。将这些仪器按照图5-1组装后即可用于与实验。
图5-1 塞曼效应实验装置示意图
在本实验中,于电磁铁的两极之间放上一支水银辉光放电灯,用交流电源220v通过自耦变压器接电灯变压器点燃放电管。自耦变压器用来调节放电管的电流强度。实验中把自耦变压器调节到75V上。
电磁铁用直流稳压电源供电,电流与磁场的关系可用高斯计进行测量,使用电磁铁时要先接通冷却水,然后慢慢调节自耦变压器,使磁场电流缓慢达到5A。注意磁场电流不准超过5A,以免电磁铁电源烧坏。
多媒体计算机采用 Pentium-133以上机型,加装视频多媒体组件,工作于32 位 Windows操作环境。视频多媒体组件的核心是多媒体图像采集卡,可将输入的 PAL或NTSC制视频信号解码并转换为数字信息,此信息可用于在计算机显示器上同步显示所输入的电视图像,并可作进一步的分析处理。D作为光探测器,通过图像卡使 F- P标准具的干涉花样成像在计算机显示器上,实验者可使用本实验专用的实时图像处理软件读取实验数据。
实验原理
塞曼效应简介
当光源放在足够强的磁场中时,所发出的光谱线都分裂成几条,条数随能级的类别而不同,而分裂后的谱线是偏振的,这种现象被称为塞曼效应。塞曼效应证实了原子具有磁距和空间取向量子化的现象。
塞曼效应分为正常塞曼效应和反常塞曼效应。正常塞曼效应是指那些谱线分裂为三条,而且两边的两条与中间的频率差正好等于,对于这种现象,经典理论可以给予很好的解释。但实际上大多数谱线的分裂多于三条,谱线的裂距是的简单分数倍,这种现象被称为反常塞曼效应。下面具体讨论塞曼效应中外磁场对原子能级的作用。
原子的总磁矩与总动量矩的关系
因为原子中的电子同时具有轨道角动量PL和自旋角动量Ps。相应的,它也同时具有轨道磁矩轨道微矩和自旋磁矩,并且它们有如下关系。
(5-1)
其中
(5-2)
(5-2)式中 L,S分别表示轨道量子数和自旋量子数。
原子核也有磁矩,但它比一个电子的磁矩要小三个数量级,故在计算单电子原子的磁矩时可以把原予核的磁矩忽略,只计算电子的磁矩。 对于多电子原,考虑到原子总角动量和总磁矩为零,故只对其原子外层价电子进行累加。磁矩的计算可用图5-2的矢量图来进行。
图5-2 电子磁矩与角动量关系
由于μS与Ps的比值比μL与PL的比值大一倍,所以合成的原子总磁矩不在总动量矩PJ的方向上。但由于μ绕PJ运动,只有μ在PJ方向的投影μJ对外平均效果不为零。根据图5-2可计算出有μJ与 PJ的关系如下。
(5-3)
上式中的g就是郎德因子。它表征了原子的总磁矩与总角动量的关系,而且决定了能级在磁场中分裂的大小。在考虑LS耦合的情况下,郎德因子可按下式计算。
(5-4)
外磁场对原子能级作用
原子的总磁矩在外磁场中受到力矩L的作用,可按下式计算。