實驗名稱：塞曼P．Zeeman效應、電子荷質比E/M的測定

實驗名稱：塞曼（P．Zeeman）效應、電子荷質比E/M的測定

實驗原理:
    塞曼(P．Zeeman 1865-1943，荷蘭物理學家）在1896年發現，當鈉焰放在強電磁鐵的兩級之間時，兩條鈉黃線都變寬很多，不久以后，羅倫茲根據物質的電子源來解釋塞曼所觀察到的現象，并且預測：在磁場中，如果沿磁場方向來看，則每條光譜線應該分裂成兩條，如果沿垂直于磁場的方向來看，則每條光譜線應該分裂成三條，沿著縱方向來看時，這些線應該是圓偏振的，沿著橫方向來看時，這些線應該是平面偏振的，塞曼及別人后來改進了實驗裝置，證實了羅倫茲的預測。
 觀察結果對于簡單的光譜線（H，Zn，Cd等的單重譜線在沒有磁場時）如果沿縱方向（即沿磁場方向）觀察，可以看到這條譜線變為雙重線，其頻率分別為和（頻率為的原來的光譜線看不到），并且前一條譜線是左旋圓偏振而后一條譜線則是右旋圓偏振，如果沿橫方向（即與磁場垂直的方向）觀察，就可以看到三重線，其頻率分別為、、，并且三條譜線都是平面偏振的，兩邊兩條的振動與磁場垂直（分量），中間一條的振動則與磁場平行（分量），譜線移動的值與磁場強度成正比，分量的強度比每一個分量的強度要大一倍，而兩個分量的強度則是相等的，縱向效應的圓偏振分量的的強度與橫向效應的分量的強度相等。這種光源發出的單重譜線（當沒有磁場時）在磁場中分裂為雙重線或多重線（由觀察方向決定）的效應叫做正常塞曼效應，而某些原為多重的譜線在磁場中則給出復雜的譜線，比如分裂成四線、五線甚至更多線，這樣的效應為別于正常塞曼效應，叫做反常塞曼效應。我們實驗的目的是用正常塞曼效應來測量電子的荷質比，并觀察正常塞曼效應中各光譜線的偏振性質。                                                      
 到底放在磁場中的光源發出的光譜線為什么會分裂成雙重線或三重線又會產生偏振呢（在沒有磁場時原是自然光）？根據經典理論，分裂的產生是由于振動的電子在磁場中發生旋進運動所引起，在量子理論中將光譜分裂的出現解釋為：這是由磁場引起原子能級分裂的結果，這兩種見解都適于正常塞曼效應。對于各光譜線的強度和偏振以及對于各光譜線的頻率也都給出同一的結果。這就是當加上磁場時所出現的分量，按頻率來說是從原來不分裂的譜線的頻率移動了
                     （1）
 式中H為磁場強度，為電子的荷質比，由此測量出H和之后就可以確定。
    （1）式以波長表示，用關系式微分得：
 
和（1）式聯合即得波長移動之量為：
                      （2）
如果取四位有效數字：因子／厘米*奧斯特。由此可見，在實際能達到的磁場中，光譜線的分裂是非常小的，對于波長為 5000的光譜線，在強度H=10000奧斯特的磁場中，分裂的數量級約為，分辨這樣接近的光譜線對于普通棱鏡分光鏡來說是做不到的，而對衍射光柵來說則提出很高的要求。因此，對于這樣狹窄光譜段的研究，利用干涉式的分光鏡是最適宜的，屬于這一類的儀器有邁克耳遜（Michelson）階梯光柵，法布里一泊羅（Fabry－Perot）標準器及陸末一革爾克（Lummer－Cenrche）板之類。在我們的實驗中打算采用后兩種中的一種，因為它們調節比較方便�，F在以陸末一革爾克板為例，說明其原理及實驗裝置。
    陸末一革爾克板是一種質量良好而且上下表面絕對平行的（不平的程度不超過光波波一長的幾十分之一）平行平面玻璃板（如用石英板可用在紫外光），長約10～20厘米，寬約1～3厘米，厚約幾毫米，板的一端膠著一個棱鏡，棱鏡的作用是使光線以適當的角度射入板中，避免因反射而損失過多的光，這個角度應該使光線在板內部的入射角稍小于臨界角，這樣板內光線經過多次反射后，每次射出的光線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，經過棱鏡L2聚焦后在透鏡的焦平面S上產生一系列明暗相間的干涉條紋，共有兩組，處于板的上下邊，各由板的上下兩面的平行相干光束所形成，如果光譜有兩個波長相差很小的譜線，將產生兩套的干涉條紋，這兩套的干涉條紋，由于干涉級次很高互相重疊很歷害，假定波長為的K+ 1級的干涉亮紋和波長為的K級干涉亮紋相重疊，則有
 
 即                    （3）
 在差不多平行于板得表面所觀察到得干涉條紋測干涉級
                   （4）
 將（4）代入（3）得：
                   （5）
 根據板的色散（角色散）就在于對不同波長的干涉最大值彼此相對地移動了某一角度，的大小由波長的差值而定，假如波長的差值為，則和所對應的干涉最大值將有一相對角位移。
 當加入外磁場時，引起光譜線的分裂，因而干涉的最大值也將按（8)式而分裂，假定以君（以安裝在同鏡中的測微尺的分度單位計算）表示此干涉最大值分裂的線性大小，而用L表示此最大值和鄰近最大值的線性距離，因為線量的比值等于角量的比值，則有：
 
 將（2）式代入即得：
               （6）
  t、n是己知的l、L、H可以從實驗中測得，因此利用（6）式可以求得。
實驗內容 :
練習一：的測定
 1、如圖3安排好儀器和產生強力磁場的
電磁鐵電路。
    2.以氖放電管（或水銀、鈉、鎘等放電管）為光源（注意：光源架最好用非鐵磁架，以免為磁極所吸，損壞光源），放在磁極的正中，用一個光孔（大小約1～2厘米）把從磁極正中發出的那一部分光引出通過聚光透鏡L聚焦在平行光管P的垂直狹縫A上，在沒有放上陸末板時，在望遠鏡T的視場中將看到一系列的直立光譜線；這時候把要測量的單重線（比如氖的5852），通過定偏分光鏡的波長轉調到視場中央，放上陸末板以后看到的將是如圖的干涉圖樣，（圖只畫出一種波長的一套圖樣）如果這時候看不到干涉圖樣或若看到的不夠好，可以通過陸末板的底座螺絲，變更板的前后傾斜度（注意！千萬勿使傾斜度太大以致板翻下來�。�，使干涉圖樣最清楚。
 3、的測量：從磁場H=0開始，慢慢增大磁場（可以增加通過電磁鐵線圈的電流）可以看到某一級的亮紋由細變粗，隨著磁場H的增大，一條變成三條，這三條以中央一條不動逐漸向兩旁分開，到后來分出來的兩條終于和原來兩旁不動的兩條相重，這表示磁場足夠大（大到使得l= L)使得k級分裂出來的亮紋跑到和（k士1）級的原來亮紋相重了。對于不同的H（從H=0開始，至少取三點，一直到H使得l=L時為止），從目鏡測微尺上讀出l和L（要的是l和L的比值，所以單位可以任意），同時讀下相應于該磁場強度時通過電磁鐵線圈的電流。
    4、磁感應強度的測量：可以用沖擊電流計，也可以用磁通計或高斯計直接測量，磁通計是特別設計的使它適用測量磁感應強度的沖擊電流計，其構造和沖擊電流計略有不同。測量時，先將外加探測線圈和磁通計的標準線圈聯接成一閉合回路，然后將探測線圈放在待測的電磁鐵兩極正中。接通或切斷電磁線圈的磁化電流，這時通過探測線圈的磁感應通量將自零增加到，磁通量變化將產生感應電流，這感應電流同時流過磁通計的標準線圈，使標準線圈產生偏轉，根據磁通計構造原理可以推知，設探測線圈回路的面積為S，匝數為N，則。
練習二：光譜線偏振性質的研究
    1、同練習一裝置，檢查各光譜線的偏振性質，在橫向效應中，偏振的分析僅須應用一個檢偏器（尼科耳棱鏡）這檢偏器裝置在觀察望遠鏡T的物鏡的光線進出口處。
    2、如果要分析縱向效應中的偏振，必須在光路中檢偏器的前方再放進一個波片，波片和檢偏器中以分別安裝在觀察望遠鏡T的物鏡和目鏡的光線進出口處。
 將所觀察到的現象加以解釋并分析所得結果是否和理論符合。
實驗數據表格及數據處理：
厚度t＝         cm，折射率n＝               ，電子荷質比：＝5.28*1017（esu/g）
1、H～I較正表
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、關系表（H= B）
l/L 1/6 2/6 3/6 4/6 5/6 
I1      
I2      
I3      
I平均      
H      

電子的荷質比為：

與標準值的比較得到誤差為：

3、塞曼效應現象觀察記錄