实验名称：塞曼（P．Zeeman）效应、电子荷质比

2013-08-18 01:03

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实验名称：塞曼（P．Zeeman）效应、电子荷质比E/M的测定

实验原理:
    塞曼(P．Zeeman 1865-1943，荷兰物理学家）在1896年发现，当钠焰放在强电磁铁的两级之间时，两条钠黄线都变宽很多，不久以后，罗伦兹根据物质的电子源来解释塞曼所观察到的现象，并且预测：在磁场中，如果沿磁场方向来看，则每条光谱线应该分裂成两条，如果沿垂直于磁场的方向来看，则每条光谱线应该分裂成三条，沿着纵方向来看时，这些线应该是圆偏振的，沿着横方向来看时，这些线应该是平面偏振的，塞曼及别人后来改进了实验装置，证实了罗伦兹的预测。
观察结果对于简单的光谱线（H，Zn，Cd等的单重谱线在没有磁场时）如果沿纵方向（即沿磁场方向）观察，可以看到这条谱线变为双重线，其频率分别为和（频率为的原来的光谱线看不到），并且前一条谱线是左旋圆偏振而后一条谱线则是右旋圆偏振，如果沿横方向（即与磁场垂直的方向）观察，就可以看到三重线，其频率分别为、、，并且三条谱线都是平面偏振的，两边两条的振动与磁场垂直（分量），中间一条的振动则与磁场平行（分量），谱线移动的值与磁场强度成正比，分量的强度比每一个分量的强度要大一倍，而两个分量的强度则是相等的，纵向效应的圆偏振分量的的强度与横向效应的分量的强度相等。这种光源发出的单重谱线（当没有磁场时）在磁场中分裂为双重线或多重线（由观察方向决定）的效应叫做正常塞曼效应，而某些原为多重的谱线在磁场中则给出复杂的谱线，比如分裂成四线、五线甚至更多线，这样的效应为别于正常塞曼效应，叫做反常塞曼效应。我们实验的目的是用正常塞曼效应来测量电子的荷质比，并观察正常塞曼效应中各光谱线的偏振性质。                                                       （科教作文网http://zw.ΝsΕAc.com发布）
到底放在磁场中的光源发出的光谱线为什么会分裂成双重线或三重线又会产生偏振呢（在没有磁场时原是自然光）？根据经典理论，分裂的产生是由于振动的电子在磁场中发生旋进运动所引起，在量子理论中将光谱分裂的出现解释为：这是由磁场引起原子能级分裂的结果，这两种见解都适于正常塞曼效应。对于各光谱线的强度和偏振以及对于各光谱线的频率也都给出同一的结果。这就是当加上磁场时所出现的分量，按频率来说是从原来不分裂的谱线的频率移动了
                     （1）
式中H为磁场强度，为电子的荷质比，由此测量出H和之后就可以确定。
    （1）式以波长表示，用关系式微分得：

和（1）式联合即得波长移动之量为：
                      （2）
如果取四位有效数字：因子／厘米*奥斯特。由此可见，在实际能达到的磁场中，光谱线的分裂是非常小的，对于波长为 5000的光谱线，在强度H=10000奥斯特的磁场中，分裂的数量级约为，分辨这样接近的光谱线对于普通棱镜分光镜来说是做不到的，而对衍射光栅来说则提出很高的要求。因此，对于这样狭窄光谱段的研究，利用干涉式的分光镜是最适宜的，属于这一类的仪器有迈克耳逊（Michelson）阶梯光栅，法布里一泊罗（Fabry－Perot）标准器及陆末一革尔克（Lummer－Cenrche）板之类。在我们的实验中打算采用后两种中的一种，因为它们调节比较方便。现在以陆末一革尔克板为例，说明其原理及实验装置。
    陆末一革尔克板是一种质量良好而且上下表面绝对平行的（不平的程度不超过光波波一长的几十分之一）平行平面玻璃板（如用石英板可用在紫外光），长约10～20厘米，宽约1～3厘米，厚约几毫米，板的一端胶着一个棱镜，棱镜的作用是使光线以适当的角度射入板中，避免因反射而损失过多的光，这个角度应该使光线在板内部的入射角稍小于临界角，这样板内光线经过多次反射后，每次射出的光线都和板面成很小的角度（近于掠射角）而成很多平行的相干光束，经过棱镜L2聚焦后在透镜的焦平面S上产生一系列明暗相间的干涉条纹，共有两组，处于板的上下边，各由板的上下两面的平行相干光束所形成，如果光谱有两个波长相差很小的谱线，将产生两套的干涉条纹，这两套的干涉条纹，由于干涉级次很高互相重叠很历害，假定波长为的K+ 1级的干涉亮纹和波长为的K级干涉亮纹相重叠，则有

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即                    （3）
在差不多平行于板得表面所观察到得干涉条纹测干涉级
                   （4）
将（4）代入（3）得：
                   （5）
根据板的色散（角色散）就在于对不同波长的干涉最大值彼此相对地移动了某一角度，的大小由波长的差值而定，假如波长的差值为，则和所对应的干涉最大值将有一相对角位移。
当加入外磁场时，引起光谱线的分裂，因而干涉的最大值也将按（8)式而分裂，假定以君（以安装在同镜中的测微尺的分度单位计算）表示此干涉最大值分裂的线性大小，而用L表示此最大值和邻近最大值的线性距离，因为线量的比值等于角量的比值，则有：

将（2）式代入即得：
               （6）
t、n是己知的l、L、H可以从实验中测得，因此利用（6）式可以求得。
实验内容 :
练习一：的测定
1、如图3安排好仪器和产生强力磁场的
电磁铁电路。
    2.以氖放电管（或水银、钠、镉等放电管）为光源（注意：光源架最好用非铁磁架，以免为磁极所吸，损坏光源），放在磁极的正中，用一个光孔（大小约1～2厘米）把从磁极正中发出的那一部分光引出通过聚光透镜L聚焦在平行光管P的垂直狭缝A上，在没有放上陆末板时，在望远镜T的视场中将看到一系列的直立光谱线；这时候把要测量的单重线（比如氖的5852），通过定偏分光镜的波长转调到视场中央，放上陆末板以后看到的将是如图的干涉图样，（图只画出一种波长的一套图样）如果这时候看不到干涉图样或若看到的不够好，可以通过陆末板的底座螺丝，变更板的前后倾斜度（注意！千万勿使倾斜度太大以致板翻下来！），使干涉图样最清楚。本文来自中国科教评价网
3、的测量：从磁场H=0开始，慢慢增大磁场（可以增加通过电磁铁线圈的电流）可以看到某一级的亮纹由细变粗，随着磁场H的增大，一条变成三条，这三条以中央一条不动逐渐向两旁分开，到后来分出来的两条终于和原来两旁不动的两条相重，这表示磁场足够大（大到使得l= L)使得k级分裂出来的亮纹跑到和（k士1）级的原来亮纹相重了。对于不同的H（从H=0开始，至少取三点，一直到H使得l=L时为止），从目镜测微尺上读出l和L（要的是l和L的比值，所以单位可以任意），同时读下相应于该磁场强度时通过电磁铁线圈的电流。
    4、磁感应强度的测量：可以用冲击电流计，也可以用磁通计或高斯计直接测量，磁通计是特别设计的使它适用测量磁感应强度的冲击电流计，其构造和冲击电流计略有不同。测量时，先将外加探测线圈和磁通计的标准线圈联接成一闭合回路，然后将探测线圈放在待测的电磁铁两极正中。接通或切断电磁线圈的磁化电流，这时通过探测线圈的磁感应通量将自零增加到，磁通量变化将产生感应电流，这感应电流同时流过磁通计的标准线圈，使标准线圈产生偏转，根据磁通计构造原理可以推知，设探测线圈回路的面积为S，匝数为N，则。
练习二：光谱线偏振性质的研究
    1、同练习一装置，检查各光谱线的偏振性质，在横向效应中，偏振的分析仅须应用一个检偏器（尼科耳棱镜）这检偏器装置在观察望远镜T的物镜的光线进出口处。
    2、如果要分析纵向效应中的偏振，必须在光路中检偏器的前方再放进一个波片，波片和检偏器中以分别安装在观察望远镜T的物镜和目镜的光线进出口处。
将所观察到的现象加以解释并分析所得结果是否和理论符合。（科教范文网 Lw.nsEAc.com编辑整理）
实验数据表格及数据处理：
厚度t＝         cm，折射率n＝               ，电子荷质比：＝5.28*1017（esu/g）
1、H～I较正表
I（A） 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
B（GS）1
B（GS）2
B（GS）3
B（GS）平均

B=8460.4*I

2、关系表（H= B）
l/L 1/6 2/6 3/6 4/6 5/6
I1
I2
I3
I平均
H

电子的荷质比为：

与标准值的比较得到误差为：

3、塞曼效应现象观察记录

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