塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

李曉波

【摘要】塞曼效應(yīng)是物理學(xué)史上一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，是原子的光譜線在外磁場(chǎng)中出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分別在垂直和平行磁場(chǎng)兩個(gè)方向觀察Hg（546.1nm）譜線的塞曼分裂情況。由于本實(shí)驗(yàn)涉及的理論知識(shí)很多，而實(shí)驗(yàn)課講授理論的時(shí)間又有限，為了解決這個(gè)問(wèn)題。本文提供了一種有效的賽曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，可供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)老師參考。

【關(guān)鍵詞】賽曼效應(yīng) 物理實(shí)驗(yàn) 教學(xué)設(shè)計(jì)

塞曼效應(yīng)是物理學(xué)史上一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)。荷蘭物理學(xué)家塞曼（Zeeman）在1896年發(fā)現(xiàn)把產(chǎn)生光譜的光源置于足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)作用于發(fā)光體，使光譜發(fā)生變化，一條譜線即會(huì)分裂成幾條偏振化的譜線，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。這個(gè)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是對(duì)光的電磁理論的有力支持，證實(shí)了原子具有磁距和空間取向量子化，使人們對(duì)物質(zhì)光譜、原子、分子有更多了解。

目前，許多高校都在開(kāi)設(shè)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，主要目的有兩個(gè)：其一是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真軟件研究汞原子（546.1nm）譜線在磁場(chǎng)中的分裂情況；其二是掌握F-P標(biāo)準(zhǔn)具的結(jié)構(gòu)、原理和調(diào)整方法。[1]

塞滿效應(yīng)實(shí)驗(yàn)涉及量子物理、光的偏振及原子能級(jí)等很多理論知識(shí)。但很多高校在開(kāi)設(shè)這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生對(duì)其中的很多理論知識(shí)掌握得不夠甚至根本就不了解，同時(shí)又由于這些知識(shí)比較抽象晦澀難懂，這就直接影響到了實(shí)驗(yàn)的效果。而實(shí)驗(yàn)課講授的時(shí)間一般不能超過(guò)20分鐘，所以如何利用有限的時(shí)間把主要的理論和操作步驟講解清楚就顯得尤為重要。根據(jù)多年的教學(xué)和反復(fù)的探討，給出了以下實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。

一、實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

首先開(kāi)門(mén)見(jiàn)山給出什么是賽曼效應(yīng)。使學(xué)生馬上開(kāi)始進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。在講解時(shí)給出由此發(fā)現(xiàn)，1902年塞曼與洛侖茲共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這會(huì)使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)充滿好奇和渴望。由于上邊已介紹過(guò)塞滿效應(yīng)在此就不加贅述了。

二、儀器介紹

由于課前已經(jīng)要求預(yù)習(xí)，其他儀器簡(jiǎn)單介紹，課上重點(diǎn)介紹F-P標(biāo)準(zhǔn)具，明確要求學(xué)生掌握F-P標(biāo)準(zhǔn)具的結(jié)構(gòu)、工作原理和調(diào)整方法。其中調(diào)整方法部分也可以放在操作部分講解。具體內(nèi)容如下：

1. 結(jié)構(gòu)：標(biāo)準(zhǔn)具外圍是金屬框架，透光部分由兩塊平行的玻璃片構(gòu)成，為保證兩玻璃片嚴(yán)格平行，外圍有三個(gè)調(diào)解螺絲A、B、C分別負(fù)責(zé)上、下、左、右調(diào)節(jié)。

2. 原理：如圖2所示，設(shè)兩平行玻璃片相對(duì)內(nèi)表面之間的距離為d，透射光束與水平軸線的夾角為θ，S為光源，一束平行入射光平行入射后，經(jīng)過(guò)反射投射后匯聚在一起，任意兩平行光束都滿足干涉條件。干涉方程為2dcosθ=kλ，這也就是F-P標(biāo)準(zhǔn)具的工作原理[2]。

3. 調(diào)整方法：重點(diǎn)講解怎樣調(diào)F-P 標(biāo)準(zhǔn)具平行。（1）首先要明確根據(jù)什么判定兩塊玻璃片是否嚴(yán)格平行了。這里可以稍給學(xué)生思考的時(shí)間，然后再講解。（2）給出調(diào)整依據(jù)并解釋原因。依據(jù)就是干涉方程：2dcosθ=kλ?？梢韵忍釂?wèn)，然后以總結(jié)學(xué)生回答的形式解釋原因。（3）根據(jù)調(diào)整方法進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整方法：鼠標(biāo)單擊左鍵調(diào)整螺絲，相應(yīng)的板間距d減小，單擊右鍵相應(yīng)的板間距增大。根據(jù)所給的四個(gè)觀察方向逐個(gè)觀察調(diào)整。如看到干涉圖樣是動(dòng)的，證明兩玻璃片沒(méi)有嚴(yán)格平行，就需要調(diào)整。讓學(xué)生先選擇自上向下觀察，看到干涉圓環(huán)逐漸往外吐即干涉圓環(huán)半徑自上向下逐漸增大。就此提出問(wèn)題：由此判斷兩玻璃片的位置關(guān)系，由學(xué)生探討判斷后得出結(jié)論，然后根據(jù)調(diào)整方法進(jìn)行調(diào)整，直到看到穩(wěn)定均勻的干涉圖樣為止。

三、實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)涉及量子物理、原子的外層結(jié)構(gòu)及電子排布規(guī)律、原子躍遷、光的偏振、光譜線分裂等理論知識(shí)，由于實(shí)驗(yàn)課講授理論的時(shí)間有限，本人按以下脈絡(luò)解釋賽曼躍遷產(chǎn)生的原因及譜線分裂的現(xiàn)象。

1. 在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用下即B=0時(shí)，一個(gè)原子體系受到外界激發(fā)，原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，如果釋放出頻率為v的一個(gè)光子，光子所具有的能量滿足的條件是：hv=E2-E1。

2. 把光源置在足夠強(qiáng)的外磁場(chǎng)中即B≠0，由于外磁場(chǎng)的作用，上下兩個(gè)能級(jí)附加了新的能量ΔE2和ΔE1，由此使上下兩個(gè)能級(jí)首先進(jìn)行了分裂。[3]Hg 5461譜線，{6S7S}3S1→ {6S6P}3P2能級(jí)躍遷產(chǎn)生，上一個(gè)能級(jí)分裂成3個(gè)，下個(gè)能級(jí)分裂成5個(gè)，如圖2所示。正由于能級(jí)的分裂，原來(lái)只產(chǎn)生一條譜線的，現(xiàn)在就產(chǎn)生若干條了，這就是塞滿效應(yīng)產(chǎn)生的原因。[4]

3. 賽曼躍遷的選擇定則

（1）從量子物理角度解釋?duì)?、σ成分的產(chǎn)生。ΔM=0時(shí)為π成份；但當(dāng)ΔJ=0時(shí)，M2=0到M1=0的躍遷被禁止。當(dāng)ΔM=±1時(shí)，為σ成份。（M是磁量子數(shù)，ΔM是上下兩個(gè)能級(jí)磁量子數(shù)之差。）[5]

（2）實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容：從垂直于磁場(chǎng)和平行于磁場(chǎng)兩個(gè)方向觀察塞滿分裂的情況。當(dāng)垂直于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)，會(huì)看到如圖的9條譜線，都為線偏振光。其中，中央三條的光失量振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)，稱為π成分，兩側(cè)各三條共6條光矢量振動(dòng)方向垂直于磁場(chǎng)，稱為σ成分。當(dāng)平行于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)π看不到了，只能看到6條σ成分，而且它由線偏振光轉(zhuǎn)換成圓偏振光，三條左旋三條右旋。

（3）平行于磁場(chǎng)觀察時(shí)σ成分偏振性與磁場(chǎng)方向及觀察方向都有關(guān)。沿磁場(chǎng)正向觀察時(shí)：ΔM=+1為右旋圓偏振光（σ+偏振），ΔM=-1為左旋圓偏振光（σ-偏振）。逆著磁場(chǎng)觀察時(shí)：ΔM=+1為左旋圓偏振光，ΔM=-1為右旋圓偏振光。

四、實(shí)驗(yàn)操作及步驟

由于本實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不涉及到太多的注意事項(xiàng)，操作部分教師可以盡量少講解，給學(xué)生足夠的時(shí)間去發(fā)揮他們的想象力和創(chuàng)造力。

雙擊桌面大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)V2.0，找到塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，鼠標(biāo)單擊左鍵打開(kāi)，來(lái)到主界面后鼠標(biāo)單擊右鍵看到主菜單，選擇開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，能看到垂直和平行與磁場(chǎng)兩個(gè)方向觀察塞滿效應(yīng)。首先做垂直磁場(chǎng)的，然后做平行的。

1. 按光路圖把實(shí)物圖連接好，然后鼠標(biāo)單擊左鍵打開(kāi)電源有光發(fā)出來(lái)，調(diào)整光路，使各個(gè)鏡片中心與光線在同一水平線上。

2. 調(diào)整好光路鼠標(biāo)放到F-P標(biāo)準(zhǔn)具上雙擊左鍵進(jìn)入下一步，調(diào)整F-P標(biāo)準(zhǔn)具平行。調(diào)好之后切記不要直接關(guān)閉，鼠標(biāo)單擊左鍵返回調(diào)整狀態(tài)才保存。

3. 返回到界面之后，鼠標(biāo)單擊右鍵選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。垂直時(shí)有兩個(gè)項(xiàng)目需要做：鑒別兩種偏振成分和觀察塞滿裂距的變化。首先看觀察指導(dǎo)，按里邊具體的要求進(jìn)行操作，觀察現(xiàn)象回答思考題即可。

4. 做好垂直的再做平行的，思路完全一樣。做好之后退出即可。

結(jié)論：此教學(xué)方案講解時(shí)間不會(huì)超過(guò)20分鐘，但學(xué)生很清楚什么是塞曼效應(yīng)，并能從理論和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合角度很好地理解塞曼效應(yīng)產(chǎn)生的原因，也能很好地觀察到Hg 5461譜線分裂的現(xiàn)象和譜線的特征，很好地掌握F-P標(biāo)準(zhǔn)具的結(jié)構(gòu)、原理和調(diào)整方法。通過(guò)觀察課上實(shí)驗(yàn)操作、課后當(dāng)面調(diào)查及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的情況，所有的反饋都非常好?？梢哉f(shuō)此種教學(xué)方案完全達(dá)到了塞滿效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的目的要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]吳思誠(chéng)，王祖銓. 近代物理實(shí)驗(yàn)（第2版）[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，1995.

[2]林木欣. 近代物理實(shí)驗(yàn)教程[M]. 北京：科學(xué)出版社，1999.

[3]褚圣麟. 原子物理學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1979：184-191.

[4]王逗. 利用塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究原子能級(jí)結(jié)構(gòu)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2005，18（4）：11-14.

[5]狄拉克PAM. 量子力學(xué)原理[M]. 北京：科學(xué)出版社，1965.