實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：塞曼（P．Zeeman）效應(yīng)、電子荷質(zhì)比E/M的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)原理:
    塞曼(P．Zeeman 1865-1943，荷蘭物理學(xué)家）在1896年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈉焰放在強(qiáng)電磁鐵的兩級(jí)之間時(shí)，兩條鈉黃線都變寬很多，不久以后，羅倫茲根據(jù)物質(zhì)的電子源來(lái)解釋塞曼所觀察到的現(xiàn)象，并且預(yù)測(cè)：在磁場(chǎng)中，如果沿磁場(chǎng)方向來(lái)看，則每條光譜線應(yīng)該分裂成兩條，如果沿垂直于磁場(chǎng)的方向來(lái)看，則每條光譜線應(yīng)該分裂成三條，沿著縱方向來(lái)看時(shí)，這些線應(yīng)該是圓偏振的，沿著橫方向來(lái)看時(shí)，這些線應(yīng)該是平面偏振的，塞曼及別人后來(lái)改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置，證實(shí)了羅倫茲的預(yù)測(cè)。
 觀察結(jié)果對(duì)于簡(jiǎn)單的光譜線（H，Zn，Cd等的單重譜線在沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)）如果沿縱方向（即沿磁場(chǎng)方向）觀察，可以看到這條譜線變?yōu)殡p重線，其頻率分別為和（頻率為的原來(lái)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(chǎng)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(dòng)與磁場(chǎng)垂直（分量），中間一條的振動(dòng)則與磁場(chǎng)平行（分量），譜線移動(dòng)的值與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，分量的強(qiáng)度比每一個(gè)分量的強(qiáng)度要大一倍，而兩個(gè)分量的強(qiáng)度則是相等的，縱向效應(yīng)的圓偏振分量的的強(qiáng)度與橫向效應(yīng)的分量的強(qiáng)度相等。這種光源發(fā)出的單重譜線（當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)）在磁場(chǎng)中分裂為雙重線或多重線（由觀察方向決定）的效應(yīng)叫做正常塞曼效應(yīng)，而某些原為多重的譜線在磁場(chǎng)中則給出復(fù)雜的譜線，比如分裂成四線、五線甚至更多線，這樣的效應(yīng)為別于正常塞曼效應(yīng)，叫做反常塞曼效應(yīng)。我們實(shí)驗(yàn)的目的是用正常塞曼效應(yīng)來(lái)測(cè)量電子的荷質(zhì)比，并觀察正常塞曼效應(yīng)中各光譜線的偏振性質(zhì)。                                                      
 到底放在磁場(chǎng)中的光源發(fā)出的光譜線為什么會(huì)分裂成雙重線或三重線又會(huì)產(chǎn)生偏振呢（在沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)原是自然光）？根據(jù)經(jīng)典理論，分裂的產(chǎn)生是由于振動(dòng)的電子在磁場(chǎng)中發(fā)生旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)所引起，在量子理論中將光譜分裂的出現(xiàn)解釋為：這是由磁場(chǎng)引起原子能級(jí)分裂的結(jié)果，這兩種見(jiàn)解都適于正常塞曼效應(yīng)。對(duì)于各光譜線的強(qiáng)度和偏振以及對(duì)于各光譜線的頻率也都給出同一的結(jié)果。這就是當(dāng)加上磁場(chǎng)時(shí)所出現(xiàn)的分量，按頻率來(lái)說(shuō)是從原來(lái)不分裂的譜線的頻率移動(dòng)了
                     （1）
 式中H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，為電子的荷質(zhì)比，由此測(cè)量出H和之后就可以確定。
    （1）式以波長(zhǎng)表示，用關(guān)系式微分得：
 
和（1）式聯(lián)合即得波長(zhǎng)移動(dòng)之量為：
                      （2）
如果取四位有效數(shù)字：因子／厘米*奧斯特。由此可見(jiàn)，在實(shí)際能達(dá)到的磁場(chǎng)中，光譜線的分裂是非常小的，對(duì)于波長(zhǎng)為 5000的光譜線，在強(qiáng)度H=10000奧斯特的磁場(chǎng)中，分裂的數(shù)量級(jí)約為，分辨這樣接近的光譜線對(duì)于普通棱鏡分光鏡來(lái)說(shuō)是做不到的，而對(duì)衍射光柵來(lái)說(shuō)則提出很高的要求。因此，對(duì)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(lèi)的儀器有邁克耳遜（Michelson）階梯光柵，法布里一泊羅（Fabry－Perot）標(biāo)準(zhǔn)器及陸末一革爾克（Lummer－Cenrche）板之類(lèi)。在我們的實(shí)驗(yàn)中打算采用后兩種中的一種，因?yàn)樗鼈冋{(diào)節(jié)比較方便�，F(xiàn)在以陸末一革爾克板為例，說(shuō)明其原理及實(shí)驗(yàn)裝置。
    陸末一革爾克板是一種質(zhì)量良好而且上下表面絕對(duì)平行的（不平的程度不超過(guò)光波波一長(zhǎng)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(zhǎng)約10～20厘米，寬約1～3厘米，厚約幾毫米，板的一端膠著一個(gè)棱鏡，棱鏡的作用是使光線以適當(dāng)?shù)慕嵌壬淙氚逯�，避免因反射而損失過(guò)多的光，這個(gè)角度應(yīng)該使光線在板內(nèi)部的入射角稍小于臨界角，這樣板內(nèi)光線經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)棱鏡L2聚焦后在透鏡的焦平面S上產(chǎn)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(gè)波長(zhǎng)相差很小的譜線，將產(chǎn)生兩套的干涉條紋，這兩套的干涉條紋，由于干涉級(jí)次很高互相重疊很歷害，假定波長(zhǎng)為的K+ 1級(jí)的干涉亮紋和波長(zhǎng)為的K級(jí)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(cè)干涉級(jí)
                   （4）
 將（4）代入（3）得：
                   （5）
 根據(jù)板的色散（角色散）就在于對(duì)不同波長(zhǎng)的干涉最大值彼此相對(duì)地移動(dòng)了某一角度，的大小由波長(zhǎng)的差值而定，假如波長(zhǎng)的差值為，則和所對(duì)應(yīng)的干涉最大值將有一相對(duì)角位移。
 當(dāng)加入外磁場(chǎng)時(shí)，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(cè)微尺的分度單位計(jì)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?yàn)榫�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(shí)驗(yàn)中測(cè)得，因此利用（6）式可以求得。
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 :
練習(xí)一：的測(cè)定
 1、如圖3安排好儀器和產(chǎn)生強(qiáng)力磁場(chǎng)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(gè)光孔（大小約1～2厘米）把從磁極正中發(fā)出的那一部分光引出通過(guò)聚光透鏡L聚焦在平行光管P的垂直狹縫A上，在沒(méi)有放上陸末板時(shí)，在望遠(yuǎn)鏡T的視場(chǎng)中將看到一系列的直立光譜線；這時(shí)候把要測(cè)量的單重線（比如氖的5852），通過(guò)定偏分光鏡的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)調(diào)到視場(chǎng)中央，放上陸末板以后看到的將是如圖的干涉圖樣，（圖只畫(huà)出一種波長(zhǎng)的一套圖樣）如果這時(shí)候看不到干涉圖樣或若看到的不夠好，可以通過(guò)陸末板的底座螺絲，變更板的前后傾斜度（注意！千萬(wàn)勿使傾斜度太大以致板翻下來(lái)�。�，使干涉圖樣最清楚。
 3、的測(cè)量：從磁場(chǎng)H=0開(kāi)始，慢慢增大磁場(chǎng)（可以增加通過(guò)電磁鐵線圈的電流）可以看到某一級(jí)的亮紋由細(xì)變粗，隨著磁場(chǎng)H的增大，一條變成三條，這三條以中央一條不動(dòng)逐漸向兩旁分開(kāi)，到后來(lái)分出來(lái)的兩條終于和原來(lái)兩旁不動(dòng)的兩條相重，這表示磁場(chǎng)足夠大（大到使得l= L)使得k級(jí)分裂出來(lái)的亮紋跑到和（k士1）級(jí)的原來(lái)亮紋相重了。對(duì)于不同的H（從H=0開(kāi)始，至少取三點(diǎn)，一直到H使得l=L時(shí)為止），從目鏡測(cè)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(shí)讀下相應(yīng)于該磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)通過(guò)電磁鐵線圈的電流。
    4、磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量：可以用沖擊電流計(jì)，也可以用磁通計(jì)或高斯計(jì)直接測(cè)量，磁通計(jì)是特別設(shè)計(jì)的使它適用測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的沖擊電流計(jì)，其構(gòu)造和沖擊電流計(jì)略有不同。測(cè)量時(shí)，先將外加探測(cè)線圈和磁通計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)線圈聯(lián)接成一閉合回路，然后將探測(cè)線圈放在待測(cè)的電磁鐵兩極正中。接通或切斷電磁線圈的磁化電流，這時(shí)通過(guò)探測(cè)線圈的磁感應(yīng)通量將自零增加到，磁通量變化將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這感應(yīng)電流同時(shí)流過(guò)磁通計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)線圈，使標(biāo)準(zhǔn)線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，根據(jù)磁通計(jì)構(gòu)造原理可以推知，設(shè)探測(cè)線圈回路的面積為S，匝數(shù)為N，則。
練習(xí)二：光譜線偏振性質(zhì)的研究
    1、同練習(xí)一裝置，檢查各光譜線的偏振性質(zhì)，在橫向效應(yīng)中，偏振的分析僅須應(yīng)用一個(gè)檢偏器（尼科耳棱鏡）這檢偏器裝置在觀察望遠(yuǎn)鏡T的物鏡的光線進(jìn)出口處。
    2、如果要分析縱向效應(yīng)中的偏振，必須在光路中檢偏器的前方再放進(jìn)一個(gè)波片，波片和檢偏器中以分別安裝在觀察望遠(yuǎn)鏡T的物鏡和目鏡的光線進(jìn)出口處。
 將所觀察到的現(xiàn)象加以解釋并分析所得結(jié)果是否和理論符合。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格及數(shù)據(jù)處理：
厚度t＝         cm，折射率n＝               ，電子荷質(zhì)比：＝5.28*1017（esu/g）
1、H～I(xiàn)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(guān)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(zhì)比為：

與標(biāo)準(zhǔn)值的比較得到誤差為：

3、塞曼效應(yīng)現(xiàn)象觀察記錄