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塞曼效应实验

2015年05月05日 14:31  点击:[]

塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。荷兰物理学家塞曼(Zeeman)1896年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中,磁场作用于发光体,使光谱发生变化,一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线,这种现象称为塞曼效应。塞曼效应是法拉第磁致旋光效应之后发现的又一个磁光效应。这个现象的发现是对光的电磁理论的有力支持,证实了原子具有磁距和空间取向量子化,使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解。

塞曼效应另一引人注目的发现是由谱线的变化来确定离子的荷质比的大小、符号。根据洛仑兹(H.A.Lorentz)的电子论,测得光谱的波长,谱线的增宽及外加磁场强度,即可称得离子的荷质比。由塞曼效应和洛仑兹的电子论计算得到的这个结果极为重要,因为它发表在JJ汤姆逊(JJ Thomson)宣布电子发现之前几个月,JJ汤姆逊正是借助于塞曼效应由洛仑兹理论算得的荷质比,与他自己所测得的阴极射线的荷质比进行比较具有相同的数量级,从而得到确实的证据,证明电子的存在。塞曼效应被誉为继X射线之后物理学最重要的发现之一。

1902年,塞曼与洛仑兹因这一发现共同获得了诺贝尔物理学奖。至今,塞曼效应依然是研究原子内部能级结构的重要方法。

该实验仿真流程:

塞曼效应实验

1.主窗口介绍

成功进入实验场景窗体,开始实验。

2 将汞灯放置到磁铁中并通电。

1)将汞灯与相应电源连接。

2)将放置到磁铁中央并打开汞灯电源。

3 将磁铁转动到与观察光路垂直方向。

在主场景鼠标双击电磁铁打开电磁铁调整界面。在调整界面中选择磁铁方向“垂直于光路”方向。

4 调节光路,是各个仪器光心共轴。

1) 将F-P标准具、会聚透镜、成像透镜等实验仪器参照实验光路放置。

2  鼠标双击望远镜查看实验现象。

3  调节光路中各个仪器的位置和高低,使观察到的干涉图像清晰、明亮。用鼠标选中仪器并拖动可以改变仪器位置,双击仪器打开仪器调节窗口后,调节仪器的光心高低。最终结果如图1.

5. 调节F-P标准具的平行度。

1 双击光路中的F-P标准具打开调节窗口。

2 仔细调节F-P标准具面板上的三个调平螺丝,使两个镀膜面完全平行。调平过程中,在望远镜的观察窗口中选择“观察不同方向干涉环”观察干涉图像。鼠标点击不同方向的箭头移动视线时,如果F-P标准具两个镀膜面完全平行,则干涉圆环中心没有吞吐现象。

6. 打开稳压电源,观察塞曼分裂现象。

双击主场景的稳压电源打开电源调节窗口。按下电源开关,调节输出电压档和微调旋钮,使得磁铁产生合适的磁场。通过望远镜的“观察不同方向的干涉环”观察汞灯的塞曼分裂现象。如图2

7.在垂直于磁场方向观察Hg 546.1nm谱线在磁场中的分裂,用偏振片区分谱线中π和σ成分。

将偏振片、F-P标准具、成像透镜放置在实验台上,调节偏振片的透振方向并观察干涉环的变化,区分谱线中π和σ成分。

8.平行于磁场方向观察Hg 546.1nm谱线在磁场中的分裂,用偏振片和l/4波晶片区分谱线中σ+和σ-成分。

1)调节电磁铁的转动方向,使电磁铁与光路方向平行。

2)将l/4波晶片放置在磁铁侧面对应位置。

鼠标选择实验台上的l/4波晶片并拖动到磁铁侧面对应处放置。

3)调节偏振片的透振方向和l/4波晶片晶轴方向,观察干涉图像的变化,区别谱线中σ+和σ-成分。如图3

9.垂直于磁场方向观察,用塞曼分裂计算电子荷质比e/m

1 调节电磁铁的转动方向,使电磁铁与光路方向垂直。将偏振片、F-P标准具、成像透镜放置在实验台上。

2)调节稳压电源输出电压使磁铁产生合适的磁感应强度。

3)调整偏振片的透振方向,使在望远镜的“测量干涉环直径”界面只能看到π成分对应的干涉环。鼠标右键在干涉图像上移动,通过记录鼠标对应的坐标,测量观察到的相邻两级的干涉圆环直径。

4    测量此时的磁场,并计算e/m。图4

 

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