近代物理实验之原子分子物理课件.ppt
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1、近代物理实验 原子分子物理部分,理学院工程物理研究所 罗剑峰,引言,物理学是一门试验科学,物理学上的一些结论、定理、假设和猜想要通过试验来验证,然后根据试验现象再对物理学的结论、定理进行完善和修正,因此是一个实践、认识,再实践再认识的一个循环往复的过程。 下面我们将要学习三个试验,这三个试验在量子力学的建立、发展和完善过程中起着十分重要的作用,在物理学的发展史上起着重要的里程碑作用。,量子概念是1900年普朗克首先提出来的,到今天已经过去了100多年。其间,经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、波恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多大师的创新努力,到20世纪30年代,就已经建立成了一套完整的量子力学理论。
2、这一理论是关于微观世界的理论,和相对论一起构成了现代物理学的基础。这三个试验是:,引言,实验1 塞曼效应 实验2 电子自旋共振 实验3 夫兰克-赫兹实验,让我们重温先辈科学家们的试验历程,学习他们追求真理、勇于创新、勇于拼搏、勇于攀登科学高峰的精神,学习他们在研究过程中所表现出来的严肃认真和实事求是的优良工作作风!,引言,实验1 塞曼效应实验,证实了原子具有磁矩和磁矩在外磁场中的空间取向是量子化的,1902年获得诺贝尔物理学奖。,1.1 实验目的,1. 了解塞曼效应实验在近代物理学发展历史上的重要地位。,2. 通过观察汞(Hg)原子546.1nm光谱线在外磁场作用下的塞曼分裂现象,了解量子力学
3、中关于磁致能级分裂的理论。,3. 了解用法布里-珀罗标准具测量微小波长差的方法,并测量电子的荷质比。,实验1 塞曼效应实验,实验1 塞曼效应实验,1.2 塞曼效应 1896年塞曼发现将光源置于足够强的磁场中时,原来的一条谱线分裂成几条谱线,分裂的谱线是偏振的,分裂成的条数随跃迁前后能级的类别而不同,后人称此现象为塞曼效应。 (1)塞曼与洛仑兹。 (2)1892年塞曼开始研究克尔现象,1896年发现塞 曼效应。 (3)塞曼运用“电子论”对塞曼效应的解释。 (4) 洛仑兹的预言及电子荷质比的测量。 (5)反常塞曼效应的发现及电子自旋概念的引入。,1.3 正常塞曼效应和反常塞曼效应 历史上把塞曼发现
4、的可以用洛伦兹的“电子论”解释、各相邻谱线的间隔按波数差计算为一个洛仑兹单位的那三条谱线称之为正常塞曼效应。 而把后来发现的那些多于三条、谱线间隔也不尽相同、不能用洛仑兹的电子论解释的谱线称之为反常塞曼效应。引入电子自旋才能解释反常塞曼效应。,实验1 塞曼效应实验,实验1 塞曼效应实验,实际上反常塞曼效应才是常见现象,而正常塞曼效应才是罕见现象。人们发现,只有当原子的电子数为偶数,而各电子的自旋恰好互相抵消,总自旋和总自旋磁矩均为0,才会有正常塞曼效应产生。,1.4 实验原理 1.光源处于外磁场中导致光谱线发生分裂 原子中电子的运动导致原子具有磁矩,原子磁矩与外磁场的作用引起原子能级的变化:
5、E=mgBB (1-1) 式中m为磁量子数,只能取有限个分立值(m=J,J-1, ,-J),B=eh/(4 me)=9.27410-24 JT-1,称为玻尔磁子,g是朗德因子。,实验1 塞曼效应实验,设有一频率为 的光谱线,是由能级E2和E1之间的跃迁所产生,即:h = E2 - E1 。在磁场中上、下能级分裂后所产生的新谱线的频率 与能级的关系为: (1-3) 因此分裂后的谱线与原谱线的频率差为:,实验1 塞曼效应实验,(1-4),式(1-4) 两边同除以c,可表示成波数差的形式: 式中: 称为洛仑兹单位,B的单位为T(特斯拉)。 由式(1-5)和(1-6)可以求得电子的荷质比:,(1-6)
6、,(1-5),(1-7),实验1 塞曼效应实验,本实验研究汞546.1nm谱线的塞曼分裂,该谱线是能级6s7s3S16s6s3P2跃迁的结果。,图1-1 汞546.1nm谱线的塞曼分裂,塞曼跃迁的选择定则是:m = m2-m1 = 0,1。由图1-1可以看出,汞546.1nm谱线在磁场中分裂成9条谱线,其中对应 m2g2 - m1g1 = 0 的谱线与原谱线相同,各相邻的分裂谱线波数差是L/2。从左往右分裂后各谱线的波长是逐渐减小的。,实验1 塞曼效应实验,1,2,3,4,5,6,7,8,9,当m=0时,产生3条线。沿垂直于磁场方向观测,线为振动方向平行于磁场的线偏振光;沿平行磁场方向观测不到
7、线。 当m=1时,产生6条线。沿垂直于磁场方向观测,线为振动方向垂直于磁场的线偏振光;沿平行磁场方向观测,线为圆偏振光。,实验1 塞曼效应实验,图1-2 塞曼效应中光的偏振态,2.用法布里-珀罗标准具观察到的实验现象 我们做实验时汞的=546.1nm谱线分裂的波长差约为=0.01nm,要观察和测量这样小的波长差普通的光谱仪(如:棱镜光谱仪、光栅光谱仪)是不能胜任的,必须采用分辨本领高的光谱仪,如法布里-珀罗标准具、迈克尔逊阶梯光栅等,本实验采用法布里-珀罗(F-P)标准具来进行观察和测量。,实验1 塞曼效应实验,法布里-珀罗标准具由两块平行的玻璃板及中间夹着的一个间隔圈组成。平面玻璃板内表面的
8、加工精度要求高于1/20波长。内表面镀有高反膜,膜的反射率高于90%,间隔圈用膨胀系数很小的熔融石英材料精加工成一定厚度,用来保证两块玻璃内表面之间精确的平行和稳定的间距。,当单色平行光束S以小角度入射时,经过M平面及M平面的多次反射和透射,分别形成一系列互相平行的反射光束1、2、3、4及透射光束1、2、3、4。相邻两束透射光束的光程差为:,(1-8),实验1 塞曼效应实验,实验1 塞曼效应实验,这一系列相互平行并有一定光程差的光束在无穷远处或会聚透镜的焦平面上发生干涉。当光程差为波长的整数倍时,产生干涉极大值,即:,由式(1-9)可得以下结论:,(a) 在波长不变的情况下,同一干涉级次k对应
9、着相同的入射角,形成一个明亮的圆环。,(c) 干涉条纹是由内向外级次逐渐降低的同心圆环。,(b) 中心亮环的 =0,此时cos =1,故中心亮环的干涉级次最高,为 (1-10),(k为整数) (1-9),图1-4 实验装置光路图,A,A,实验1 塞曼效应实验,进一步还可以推导得到以下公式:,(1-11),图2-4 入射角与干涉圆环直径关系,(a) 随着圆环直径的增大,条纹越来越密。,(b) 对于相同的干涉级次k,直径大的干涉圆环对应的入射光波长小。,实验1 塞曼效应实验,(1)未加偏振片在垂直于磁场方向观察的实验装置图,实验1 塞曼效应实验,未加磁场时的干涉圆环:,加磁场后在垂直于磁场方向的干
10、涉圆环:,所观察到的实验现象:,实验1 塞曼效应实验,(2)加偏振片后在垂直于磁场方向观察的实验装置图,实验1 塞曼效应实验,(1)转动偏振片到某个角度三条线出现,线消失:,(2)再转过90度线消失,六条线出现:,所观察到的实验现象:,实验1 塞曼效应实验,(3)在平行于磁场方向观察的实验装置图,实验1 塞曼效应实验,线是禁戒跃迁的,因此只能看到6条线。,用1/4波片和偏振片可以证明6条线为圆偏振光。,1/4波片将圆偏光变为线偏光,并且两线偏光的偏振方向是互相垂直的。,因此,当偏振片转到某个角度时,-线消,只出现3条+线:,再转过90度,3条-出现,+线消失:,所观察到的实验现象:,实验1 塞
11、曼效应实验,由式(1-11)通过一定的变换,最终可以求得对于同一级次k内的两条谱线a和b的波数差为:,(1-12),2.用法布里-珀罗标准具测量波数差,将式(1-12)代入到式(1-7)中,得:,实验1 塞曼效应实验,未加磁场时的干涉圆环,加磁场后的干涉圆环,化简后最终得测量电子荷质比的公式:,实验1 塞曼效应实验,(1-13),实验1 塞曼效应实验,1.5 实验仪器介绍,1.电磁铁:用来产生磁场 2.发光体:低压汞灯,用滤光片选取546.1nm谱线 3.四分之一波片:从平行于磁场方向观察时使用 4.偏振片:用于区分成分与+、-成分 5.聚光镜:将发光体发出的光线会聚到F-P标准具 6.干涉滤
12、光片:安装在F-P标准具内入射端镜面前 7.法布里-珀罗(F-P)标准具: d = 1.76 mm 8.读数望远镜:包含成像(会聚)透镜,分划板(十字 叉丝)及螺旋测微装置,接目镜,1.6 实验内容和要求 掌握实验原理和方法,从垂直于磁场和平行于磁场两个方向观察汞的546.1nm谱线的塞曼分裂现象,再从垂直于磁场方向测量分裂谱线的波数差并计算电子的荷质比。,实验1 塞曼效应实验,提示:(1) d = 1.76 mm (2) = 546.1 nm,实验2 电子自旋共振,证实了电子具有自旋磁矩和自旋磁矩在外磁场中的空间取向量子化,可获得有关物质微观结构的信息。,2.1 实验目的,1. 了解“电子自
13、旋”的概念及“电子自旋共振”实验方法在现代科学技术中的广泛应用。,2. 掌握用“扫场法”观察共振跃迁现象的实验设计思想。,3. 测量DPPH中未偶电子的g因子。,实验2 电子自旋共振实验,实验2 电子自旋共振,2.2 电子自旋共振概念及在现代科技中的应用 具有未偶电子的凝聚态(液、固态)物质所产生的自旋磁矩与外磁场的相互作用,导致原子的基态能级分裂成两个塞曼能级,这时如果有一束微波垂直于磁场方向入射在凝聚态物质上,凝聚态物质的原子就有可能吸收微波光子的能量,从能量较低的塞曼能级跃迁到能量较高的塞曼能级,这种现象被称为电子自旋共振。 运用该方法可以探测物质中的未偶电子,研究其与环境的相互作用,从
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