原子結(jié)構(gòu)的量子理論-復(fù)旦大學(xué)物理教學(xué)實驗中心fudan

1、原子結(jié)構(gòu)的量子理論,,,,塞曼效應(yīng)實驗及應(yīng)用,光信息科學(xué)與技術(shù) 胥瀟瀟 0572440,,,,實驗裝置,實驗現(xiàn)象及分析記錄,實驗中注意事項,Zeeman Effect,實驗誤差分析,實驗拓展分析,氫原子薛定諤方程,,,塞曼效應(yīng)的簡介,塞曼效應(yīng)的歷史意義,Zeeman Effect,荷蘭物理學(xué)家塞曼在1896年發(fā)現(xiàn)把產(chǎn)生光譜的光源置于足夠強的磁場中，磁場作用于發(fā)光體使光譜發(fā)生變化，一條譜線即會分裂

2、成幾條偏振化的譜線，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。,塞曼效應(yīng)發(fā)現(xiàn)是對光的電磁理論的有力支持，證實了原子具有磁矩和空間取向量子化，被譽為繼X射線之后物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。,Pieter Zeeman,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,掌握法布里—珀羅標準具的原理和使用; 學(xué)習(xí)觀察低壓汞燈的譜線在磁場中塞曼分裂譜線，確定細度和塞曼間隔；應(yīng)用原理從譜線的塞曼分裂確定原子能級的J值及相應(yīng)的g值；根據(jù)實驗原理做相應(yīng)拓展。,氫

3、原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,,1.原子的總磁矩與總角動量距的關(guān)系,?L=（e /2m）L=,,L=,,軌道磁矩?L,?S=（e /m）S=,,,S =,,自旋磁矩?S,角動量和磁矩矢量圖,角動量旋進,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,2.塞曼效應(yīng),原子在磁場中的能級分裂,設(shè)頻率為v的光譜線是由原子的上能級E2躍遷到下能級E1所產(chǎn)生的，則此譜線的頻率滿足,在外磁場中，上下能級都將獲得一個附加能量,因此，

4、每個能級各分裂成個2J2＋1和2J1＋1個子能級.,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,,躍遷將產(chǎn)生頻率為 的譜線,滿足：,躍遷選擇定則,,B,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,光源（低壓汞燈）發(fā)射的光線經(jīng)透鏡及干涉濾波片以后，以近似平行光的方式照射到F-P標準具上，輸出光經(jīng)透鏡會聚經(jīng)反射鏡轉(zhuǎn)向，即可在讀數(shù)顯微鏡中觀察到干涉條紋。偏振片則用于選取不同偏振態(tài)的譜線。,其他器材：氣壓掃描裝置特斯拉計電

5、腦,塞曼效應(yīng)實驗裝置圖,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,氣壓掃描法布里-珀羅干涉儀,由平行放置的兩塊平面板組成的，在兩板相對的平面上較高反射系數(shù)的薄膜。兩平面的間隔是由某些熱膨脹系數(shù)很小的材料做成的環(huán)固定起來，不可以改變。 高分辨率,干涉方程（干涉極大值）,其中N為干涉級數(shù)。,F- P標準具的原理,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,在B=0的條件下，掃描記錄汞曲線,從而 峰間距平均值 x

6、1=0.722V 半高寬平均值 x2=0.034V 細度 x1 /x2=21.24,表一 磁場B=0時的汞譜線數(shù)據(jù),氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,加上磁場，掃描記錄汞546.1nm譜線的Zeeman分裂曲線,磁感應(yīng)強度 B=1110mTF-P標準具間距t=2.012mm低壓倍增管電壓取-746V對應(yīng)的自由光譜范圍,,,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,表二 磁場不為零時汞546.1nm

7、譜線有關(guān)數(shù)據(jù),間距L1的平均值=0.647V間距L2的平均值=0.066V故塞曼分裂間隔：,=,,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,汞546.1nmZeeman分裂π線,加上偏振片后,汞546.1nmZeeman分裂σ線,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,光電倍增管應(yīng)避光保存，且有工作電壓時，不能有強光照明 調(diào)平行度時，調(diào)節(jié)旋鈕應(yīng)松緊適中測量時把成像鏡頭上方的窗口關(guān)閉回到壓降極端位置時，旋松氣

8、泵出氣口旁邊的放氣螺絲，使內(nèi)部氣壓與大氣壓平衡，幾秒鐘后再旋緊此放氣螺絲。溫度變化導(dǎo)致的不良影響到最小,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,實驗中的F-P標準具的平行度并非理想平行，所以測出的波形會有一定的變形，導(dǎo)致讀數(shù)時誤差較大。光路并非完全準直，只通過目測達到要求，有一定誤差。標準具內(nèi)的氣壓變化受到室溫變化及其他因素的影響。電子系統(tǒng)測量，難免會有一定的本底噪聲，即由于儀器誤差，會影響測量精度。磁場不是絕對均

9、勻。譜線的展寬，如碰撞展寬和多普勒展寬等都對譜線的寬度產(chǎn)生一定的影響，從而影響塞曼分裂間隔,。,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,利用塞曼效應(yīng)反推原子能級,格羅春圖繪制過程：,分裂后的π線有3條，,m2=0,,1,等距地標記在上能級水平線上,以垂直線相連,（π偏振）,左下斜線表示,右下斜線表示,偏振,偏振,凡是與這三條不平行的躍遷都是禁戒的,m1=,2兩個點,下能級上,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,

10、(1)推算能級量子數(shù)上能級（L=0）格羅春圖,,m2=1，0，-1,,J2=1,S2= J2-L2=1。,,上能級的原子態(tài)為,,下能級（L=1,S1= S2=1）格羅春圖,,m1=-2，-1，0，1，2,,J1=2。,(2)計算原子能級的g因子,,,Hg 5461Å譜線 {6S7S}3S1→ {6S6P}3P2能級躍遷產(chǎn)生的。,g=1+,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,表三 兩能級及塞曼分裂能級對應(yīng)的

11、量子數(shù),汞5461Å譜線分裂圖,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,測定汞原子塞曼譜線相對強度,具有對稱規(guī)律性:,π成分,躍遷概率最大，譜線最強，居同級干涉圓環(huán)中央,隨B增大，譜線分裂增加，但各譜線相對強度不變,垂直磁場方向，偏振強度對稱分布,,反映各子能級躍遷相對概率的大小，說明原子中價電子激發(fā)時在各塞曼子能級上的分布。,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,具體測量方法：,取下偏振片，F(xiàn)-P標準

12、具適當向第一個透鏡靠近，調(diào)節(jié)第二個透鏡獲得清晰的干涉圖像.隨后加上外磁場。垂直磁場攝譜，采用全色光譜干板或黑白膠卷，曝光10 min左右。,（1）攝譜,（2）測譜,用測微光度計，在廢X光膠片上用圓規(guī)刻寬約0.1-0.2 m m的圓弧狹縫，剪成圓形，放在測微光度計主狹縫屏前，狹縫開至0.3 m m，通過擋光板高度調(diào)節(jié)進光量，并把譜線附近背景調(diào)零或扣除。,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,感謝實驗室每一位老師在我實驗