塞曼光谱偏振现象的实验研究

王海军 等

摘要：本文以Hg（5461 ）为例，先从理论上对塞曼效应及其偏振进行了分析，然后再通过实验观察得到Hg（5461 ）的横向和纵向塞曼谱线，并旋转偏振片，对偏振现象进行了观察和分析，将实验结果与理论情况进行了对比。

关键词：塞曼效应 Hg 偏振

1 概述

塞曼效应的发现，为直接证明空间量子化提供了实验依据，对推动量子理论的发展起了重要作用。本实验是用高分辨率的分光仪器（如法布里—珀罗标准具）去观察或拍摄汞的谱线（546.lnm）的塞曼效应，测量它分裂的波长差，朗德因子，并计算出电子的荷质比（e/m）的值。总自旋为零的原子，在不太强的外磁场中，原先的每条谱线分裂为三条。如图1所示。

图1 塞曼效应中的偏振观察 图2 未加磁场时

2 Hg（5461A）塞曼效应理论分析

2.1 调节F-P标准具

点燃汞灯，不加磁场（I=0），将标准具放在导轨上，使光轴与汞灯在同一水平线上，聚光透镜与汞灯之间的距离要大于透镜的焦距80mm，直接用肉眼去看干涉环，应该整个视野充满绿色圆环。如图2所示。

2.2 垂直于磁场方向观察塞曼分裂

设式中入射光包含？姿1和？姿2两种波长，且？姿1<？姿2，同一级次K对应着两个圆环，其直径各为D1和D2，且D1

表1 实验所得的数据

根据以上测得的数据代入公式

电子的荷质比公式为： = （ ）

微小波长差公式为：△？姿= = （ ）

得荷质比为：2.737630e+011；

波长差为：2.317244e-003nm。

3 Hg（5461A）塞曼效应偏振现象实验分析

3.1 横向塞曼效应

在垂直于磁场方向上通过F-P标准镜观察Hg光源。可见到光谱如图3所示。

图3 加磁场时

在外磁场作用下一条干涉条纹将分裂为9条干涉条纹，在标准具和读数望远镜之間放上偏振片，如果偏振片的偏振方向为水平，可看到π成分的二三条谱线，即内三个环，偏振方向为垂直时，只能看到σ成分的6条谱线，即6个外部的圆环。用调好目镜的读数望远镜观看圆环，会看到放大6倍的清晰圆环像。逐渐增加电磁铁的电流，会看到干涉圆环逐渐变粗，最后原来的一个环向内和向外各分出4个环，为便于测量，加入偏振片并旋转偏振片，当为90度时，就可以看到σ分量（或π分量），再旋转90度可看到π分量（或σ分量），如图4和图5所示。

图4 π分量 图5 σ分量

3.2 纵向塞曼效应

将电磁铁的磁芯抽出，转动电磁铁90°，再将标准具向后移动与电磁铁及芯孔靠近，用读数望远镜观察纵向塞曼效应。此时的光谱为圆振光。当磁场增加时，只能看到横向的σ成分的6个外环，这6个外环皆为左、右旋的圆偏振光，在偏振片前再加上σ波片，使圆偏振光附加了π/2位的相位差。从而圆振光σ变为互相垂直的线偏振光，再转动偏振片，会区分出左、右旋圆偏振光。

4 总结

通过对Hg（5461 ）的研究，先后从理论和实验进行论证塞曼效应产生的原因，观察Hg（5461 ）谱线分裂的现象和谱线的特征，很好地掌握F—P标准具的结构、原理和调整方法并将实验结果与理论情况进行了对比，发现光的偏振态与观察方向θ的关系。

参考文献：

[1]杨福家.原子物理学（第三版）[M].高等教育出版社，2007-1，P172/p192.

[2]徐兰珍.西安邮电学院学报.1997，3月，第2卷第L期.

[3]朱振和.塞曼谱线的偏振特性[J].大学物理，2003，22（9）.