原子結(jié)構(gòu)的量子理論-復(fù)旦大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心fudan

1、原子結(jié)構(gòu)的量子理論,,,,塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用,光信息科學(xué)與技術(shù) 胥瀟瀟 0572440,,,,實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析記錄,實(shí)驗(yàn)中注意事項(xiàng),Zeeman Effect,實(shí)驗(yàn)誤差分析,實(shí)驗(yàn)拓展分析,氫原子薛定諤方程,,,塞曼效應(yīng)的簡(jiǎn)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(qiáng)的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)作用于發(fā)光體使光譜發(fā)生變化，一條譜線即會(huì)分裂

2、成幾條偏振化的譜線，這種現(xiàn)象稱(chēng)為塞曼效應(yīng)。,塞曼效應(yīng)發(fā)現(xiàn)是對(duì)光的電磁理論的有力支持，證實(shí)了原子具有磁矩和空間取向量子化，被譽(yù)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(biāo)準(zhǔn)具的原理和使用; 學(xué)習(xí)觀察低壓汞燈的譜線在磁場(chǎng)中塞曼分裂譜線，確定細(xì)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(jí)的J值及相應(yīng)的g值；根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)量和磁矩矢量圖,角動(dòng)量旋進(jìn),氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,2.塞曼效應(yīng),原子在磁場(chǎng)中的能級(jí)分裂,設(shè)頻率為v的光譜線是由原子的上能級(jí)E2躍遷到下能級(jí)E1所產(chǎn)生的，則此譜線的頻率滿(mǎn)足,在外磁場(chǎng)中，上下能級(jí)都將獲得一個(gè)附加能量,因此，

4、每個(gè)能級(jí)各分裂成個(gè)2J2＋1和2J1＋1個(gè)子能級(jí).,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,,躍遷將產(chǎn)生頻率為 的譜線,滿(mǎn)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(biāo)準(zhǔn)具上，輸出光經(jīng)透鏡會(huì)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(jì)電

5、腦,塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(lái)，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(jí)數(shù)。,F- P標(biāo)準(zhǔn)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(xì)度 x1 /x2=21.24,表一 磁場(chǎng)B=0時(shí)的汞譜線數(shù)據(jù),氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,加上磁場(chǎng)，掃描記錄汞546.1nm譜線的Zeeman分裂曲線,磁感應(yīng)強(qiáng)度 B=1110mTF-P標(biāo)準(zhǔn)具間距t=2.012mm低壓倍增管電壓取-746V對(duì)應(yīng)的自由光譜范圍,,,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,表二 磁場(chǎng)不為零時(shí)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(shí)，不能有強(qiáng)光照明 調(diào)平行度時(shí)，調(diào)節(jié)旋鈕應(yīng)松緊適中測(cè)量時(shí)把成像鏡頭上方的窗口關(guān)閉回到壓降極端位置時(shí)，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(shí)驗(yàn)中的F-P標(biāo)準(zhǔn)具的平行度并非理想平行，所以測(cè)出的波形會(huì)有一定的變形，導(dǎo)致讀數(shù)時(shí)誤差較大。光路并非完全準(zhǔn)直，只通過(guò)目測(cè)達(dá)到要求，有一定誤差。標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量，難免會(huì)有一定的本底噪聲，即由于儀器誤差，會(huì)影響測(cè)量精度。磁場(chǎng)不是絕對(duì)均

9、勻。譜線的展寬，如碰撞展寬和多普勒展寬等都對(duì)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(jí),格羅春圖繪制過(guò)程：,分裂后的π線有3條，,m2=0,,1,等距地標(biāo)記在上能級(jí)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(gè)點(diǎn),下能級(jí)上,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,

10、(1)推算能級(jí)量子數(shù)上能級(jí)（L=0）格羅春圖,,m2=1，0，-1,,J2=1,S2= J2-L2=1。,,上能級(jí)的原子態(tài)為,,下能級(jí)（L=1,S1= S2=1）格羅春圖,,m1=-2，-1，0，1，2,,J1=2。,(2)計(jì)算原子能級(jí)的g因子,,,Hg 5461Å譜線 {6S7S}3S1→ {6S6P}3P2能級(jí)躍遷產(chǎn)生的。,g=1+,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,表三 兩能級(jí)及塞曼分裂能級(jí)對(duì)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(cè)定汞原子塞曼譜線相對(duì)強(qiáng)度,具有對(duì)稱(chēng)規(guī)律性:,π成分,躍遷概率最大，譜線最強(qiáng)，居同級(jí)干涉圓環(huán)中央,隨B增大，譜線分裂增加，但各譜線相對(duì)強(qiáng)度不變,垂直磁場(chǎng)方向，偏振強(qiáng)度對(duì)稱(chēng)分布,,反映各子能級(jí)躍遷相對(duì)概率的大小，說(shuō)明原子中價(jià)電子激發(fā)時(shí)在各塞曼子能級(jí)上的分布。,氫原子薛定諤方程,,,Zeeman Effect,具體測(cè)量方法：,取下偏振片，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)

12、具適當(dāng)向第一個(gè)透鏡靠近，調(diào)節(jié)第二個(gè)透鏡獲得清晰的干涉圖像.隨后加上外磁場(chǎng)。垂直磁場(chǎng)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(cè)譜,用測(cè)微光度計(jì)，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(cè)微光度計(jì)主狹縫屏前，狹縫開(kāi)至0.3 m m，通過(guò)擋光板高度調(diào)節(jié)進(jìn)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(shí)驗(yàn)室每一位老師在我實(shí)驗(yàn)