山东大学：空间科学与技术教学资源（实验课件）塞曼效应

塞曼效应塞曼PZeeman1865-1943荷兰物理学家

塞曼效应 塞曼 P.Zeeman 1865-1943 荷兰物理学家

实验背景塞曼效应是继法拉第1845年发现旋光效应，克尔1875年发现电克效应和1876年发现克尔磁光效应之后由荷兰物理学家塞曼于1896年发现的又一个磁光效应法拉第旋光效应和克尔效应的发现在当时引起了众多物理学家的兴趣。1862年法拉第出于“磁力和光波彼此有联系”的信念，會试图探测磁场对钠黄光的作用，但因仪器精度欠佳未果

实验背景 塞曼效应是继法拉第1845年发现旋光效应,克尔 1875年发现电克效应和1876年发现克尔磁光效应之后， 由荷兰物理学家塞曼于1896年发现的又一个磁光效应。 法拉第旋光效应和克尔效应的发现在当时引起了众多 物理学家的兴趣。1862年法拉第出于“磁力和光波彼此 有联系”的信念,曾试图探测磁场对钠黄光的作用,但因 仪器精度欠佳未果

塞曼在法拉第的信念的激励下，经过多次的失败，最后用当时分辨本领最高的罗兰凹面光栅和强大的电磁铁.终于在1896年发现了钠黄线在磁场中变宽的现象后来又观察到了蓝线在磁场中的分裂。塞曼在洛仑兹的指点和洛仑兹经典电子论的指导下，解释了正常塞曼效应和分裂后的谱线的偏振特性，并且估算出的电子的荷质比与几个月后汤姆逊从阴极射线得到的电子荷质比相同。塞曼效应不仅证实了洛仑兹电子论的准确性，而且为汤姆逊发现电子提供了证据也证实了原子具有磁矩并且空间取向是量子化的。1902年洛仑兹和塞曼因此而共享了诺贝尔物理学奖

塞曼在法拉第的信念的激励下,经过多次的失败,最 后用当时分辨本领最高的罗兰凹面光栅和强大的电磁 铁,终于在1896年发现了钠黄线在磁场中变宽的现象, 后来又观察到了镉蓝线在磁场中的分裂。 塞曼在洛仑兹的指点和洛仑兹经典电子论的指导 下,解释了正常塞曼效应和分裂后的谱线的偏振特性,并 且估算出的电子的荷质比与几个月后汤姆逊从阴极射 线得到的电子荷质比相同。 塞曼效应不仅证实了洛仑 兹电子论的准确性,而且为汤姆逊发现电子提供了证据。 也证实了原子具有磁矩并且空间取向是量子化的。 1902年洛仑兹和塞曼因此而共享了诺贝尔物理学奖

实验目的本实验通过高分辨率的分光器件法布里-珀罗观察5461汞绿线在磁场中的分裂并测量分裂谱线的波数差等物理量。1、加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理学概念的理解2、学习法布里-珀罗标准具和CCD器件在光谱测量中的应用

本实验通过高分辨率的分光器件法布里-珀罗观察 5461 汞绿线在磁场中的分裂并测量分裂谱线的波 数差 等物理量。 实验目的 1、加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理 学概念的理解 2、学习法布里-珀罗标准具和CCD器件在光谱测 量中的应用 A 0

实验原理塞曼效应的产生是原子磁距与外加磁场作用的结果。根据原子物理理论，原子中的电子既作轨道运动又作的自旋运动。原子的总轨道磁距、与总轨道角动量关系PL为2(1)P, = L(L+ 1)nuL2m

实验原理 塞曼效应的产生是原子磁距与外加磁场作用的结果。 根据原子物理理论，原子中的电子既作轨道运动又作 自旋运动。原子的总轨道磁距 与总轨道角动量 的 关系 为： pL L (1) , ( 1) 2 = P P = L L + m e  L L L

的关系为：原子的总自旋磁矩再总自旋角动量P,=/S(S+1)h(2)p.原子的轨道角动量和自旋角动量合成为原子的总角动量，原子的轨道磁距和自旋磁距合成为原子的总磁pJ距u川称为原子的有效磁矩大小由下式决定P, =/J(J+1)h(3)u=g2m

原子的总自旋磁矩 与总自旋角动量 的关系为： 原子的轨道角动量和自旋角动量合成为原子的总角动 量 ，原子的轨道磁距和自旋磁距合成为原子的总磁 距 。 J称为原子的有效磁矩大小由下式决定  pS (2) (3) s ps m e  = ps = S(S +1)  , ( 1) 2 = P p = J J + m e  J g J J pJ s

对于LS耦合有g=1+ J(U +1)-L(L+1)+S(S+1) (4)2J(J+1)在外磁场的作用下，原HLls子总角动量P,和磁距μJ绕磁场方向进动，原子在P磁场中的附加能量E如P1(5)式。播放

对于LS耦合有 在外磁场的作用下,原 子总角动量PJ和磁距 J 绕磁场方向进动，原子在 磁场中的附加能量E如 （5）式。 2 ( 1) ( 1) ( 1) ( 1) 1 + + − + + + = + J J J J L L S S g (4)

角动量在磁场中取向是量子化的，如（6）式所示，这样附加能量又可表示为（7）式AE=-μ,Bcosα=gp,Bcosβ(5)2mM=J.J-1...p, cosβ= M h,-.(6ehBAE = Mg(7)2m播放

角动量在磁场中取向是量子化的，如（6）式所 示，这样附加能量又可表示为（7）式   cos  2 cos p B m e E = − J B = g J p M M J J J J cos  = , = , −1,,− B m e E Mg 2   = (5) (6) (7)

附加能量不仅与外磁场B有关，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时原来的一个能级将分裂成2J+1个子能级。未加磁场时，能级E，和E，之间跃迁产生的光谱线频率<为hv=E -E在磁场中，分裂后谱线频率为v分裂后的谱线享原谱线的频率差△v为

附加能量不仅与外磁场B有关，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时原来的一个 能级将分裂成 2J+1个子能级。 未加磁场时，能级E2和E1之 间跃迁产生的光谱线频率为 在磁场中，分裂后谱线频率为 ˊ分裂后的谱线与原谱线的 频率差 为 hv = E2 − E1

hv'=(E, +E2)-(E +△E)eBV==(△E, -AE,)=(M2g2 -Mig1)112h4元meBA=(M,82 - M,g1=(M282 -M,g)L(9)4元mcL = 4.67 ×10-3 Bm-令L=eBl（4元mc）B的单位取Gs）,L称为洛仑兹单位。磁量子数M的选择定则为△M = M, -M, =0, ±1但是，并非任何两个能级的跃迁都是可能的

(8) (9) m eB E E M g M g h v v v 4 ( ) ( ) 1 − =  2 −  1 = 2 2 − 1 1  =  ( ) ( ) E2 E2 E1 E1 hv  = +  − +  M g M g L m c eB v M g M g ( ) 4 ( ) ~ 2 2 1 1 2 2 1 1  = − = −  3 1 4.67 10− − 令L=eB/ （4πmc） L =  Bm （B的单位取Gs）,L称为洛仑兹单位。磁量子数M的选 择定则为 但是，并非任何两个能级的跃迁都是可能的。 M = M2 − M1 = 0, 1