磁电子学器件应用原理近代物理实验 (16).doc

塞曼效应实验研究性课题参考资料

一、Hg原子的能级结构和光谱线

Hg原子的能级结构和光谱线如图1所示。

图1

图1Hg原子能级结构和能级跃迁图

可见光范围内Hg原子谱线波长和强弱见表1。

由表1可见，Hg原子发光较强的几个波长的谱线分别为：579.0nm和577.0nm的黄光、546.1nm的绿光、435.8nm的蓝紫光和404.7nm的紫光。结合图1可知，这些谱线对应的能级分别为

表1可见光范围内Hg原子谱线波长

颜色

波长（×10-10m）

相对强度

颜色

波长（×10-10m）

相对强度

深红

6907.2

弱

绿

5460.7

很强

深红

6716.2

弱

绿

5354.0

弱

红

6234.4

中

蓝绿

4960.3

中

红

6123.3

弱

蓝绿

4916.0

中

黄

5890.2

弱

蓝紫

4358.4

很强

黄

5859.4

弱

蓝紫

4347.5

中

黄

5790.7

弱

蓝紫

4339.2

弱

黄

5789.7

强

紫

4108.1

弱

黄

5769.6

强

紫

4077.8

中

黄绿

5675.9

弱

紫

4046.6

强

二、Hg原子的塞曼效应

把一个光源放在磁场中时，会产生新线，它们偏离零磁场时的位置，偏离值为

（1）

其中，称为洛伦兹单位，B为磁场强度，e和m是电子的电荷和质量。这是以波数来表示的偏离值，其中M1和M2分别为高能级和低能级的磁量子数，g1和g2是LS耦合时的朗德因子

（2）

对于LS耦合，有两个价电子的原子的选择定则为

表2给出Hg577.0nm黄光对应的两个能级3D2（初态）和1P1（末态）对应的各量子数值。

表2Hg黄线（577.0nm）对应的初末能级各量子数值

L

J

S

g

M

Mg

初态3D2

2

2

1

7/6

2，1，0，-1，-2

7/3，7/6，0，-7/6，-7/3

末态1P1

1

1

0

1

1，0，-1

1，0，-1

图2给出在磁场中初末能级分裂情况以及能级跃迁产生的谱线。可见该谱线在磁场中分裂为9条谱线，其中⊿M=0跃迁的谱线为?线，⊿M=±1跃迁的谱线为?线。在垂直磁场的方向上观察时，⊿M=±1跃迁的发射光的偏振面是与磁场垂直的，⊿M=0跃迁的发射光的偏振面是与磁场平行的，它们均为线偏振光。

图

图2Hg577.0nm黄光能级结构和能级跃迁图

三、分裂谱线的强度

在垂直于磁场方向观察时，计算各谱线相对强度的理论公式为

对于J→J跃迁：

对于J→J+1跃迁：

对于J→J-1跃迁：

平行于磁场时为0，为垂直方向上的两倍。上述结果只适用于弱场下的塞曼分裂，这里所指的弱场是指外磁场相对于原子自旋轨道耦合内磁场来讲比较弱，在弱场的作用下，不会改变原子内部耦合运动情况。

四、法布里-珀罗（F-P）标准具

1.结构、光路和干涉光强分布

在实验中使用高分辨的法布里-珀罗（F-P）标准具，其结构和光路图如图3所示，它主要是由两块镀有高反射率膜的玻璃（或溶凝石英）块组成，膜面相对且平行，工作区内表面的平整度高达?/20到?/200，反射率一般约为95%。

当一束波长为?的平行光照射到间距为t的F-P标准具时，设入射光强及入射角分别为I0与?，则相邻透射光束的光程差?为

式中n为标准具工作区介质的折射率，由于标准具工作区介质为空气，因此n=1，则相邻两束光之间的相位差为

（3）

图3

图3F-P标准具及其光路图

输出光强为极大值的条件是?=m?，即

（4）

式中m是正整数，称为干涉级数。这时，图3中的A点处的光强为

（5）

式中R为反射膜的反射率。

2.分辨本领

设光源中有两个波长的谱线，分别为?与?-??，经F-P标准具后将产生两组干涉条纹，图4为第m级干涉条纹的光强分布。它们的输出光强为极大值（同级）处的相位差分别为?1与?2

（6）

设图4中光强半高处的相位差为，由于两条谱线相交于半高处时其叠加后的干涉图样刚好能被分辨，由（5）式可知

（7）

由于干涉条纹特别细锐，因此接近于光强极大处的相位差（光强极大处的相位差为2?的整数倍），因此，近似等于，由式（7）得

（8）

由图4可得到，即

（9）

结合式（