塞曼效应实验教学设计

【摘要】塞曼效应是物理学史上一个著名的实验，是原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象。本实验通过计算机模拟分别在垂直和平行磁场两个方向观察Hg（546.1nm）谱线的塞曼分裂情况。由于本实验涉及的理论知识很多，而实验课讲授理论的时间又有限，为了解决这个问题。本文提供了一种有效的赛曼效应实验教学案例，可供相关的实验教学老师参考。

【关键词】赛曼效应 物理实验 教学设计

塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。荷兰物理学家塞曼（Zeeman）在1896年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体，使光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。这个现象的发现是对光的电磁理论的有力支持，证实了原子具有磁距和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解。

目前，许多高校都在开设这个实验，主要目的有两个：其一是通过计算机仿真软件研究汞原子（546.1nm）谱线在磁场中的分裂情况；其二是掌握F-P标准具的结构、原理和调整方法。[1]

塞满效应实验涉及量子物理、光的偏振及原子能级等很多理论知识。但很多高校在开设这个实验时，学生对其中的很多理论知识掌握得不够甚至根本就不了解，同时又由于这些知识比较抽象晦涩难懂，这就直接影响到了实验的效果。而实验课讲授的时间一般不能超过20分钟，所以如何利用有限的时间把主要的理论和操作步骤讲解清楚就显得尤为重要。根据多年的教学和反复的探讨，给出了以下实验教学方案。

一、实验简介

首先开门见山给出什么是赛曼效应。使学生马上开始进入学习状态。在讲解时给出由此发现，1902年塞曼与洛仑兹共同获得了诺贝尔物理学奖，这会使学生对实验充满好奇和渴望。由于上边已介绍过塞满效应在此就不加赘述了。

二、仪器介绍

由于课前已经要求预习，其他仪器简单介绍，课上重点介绍F-P标准具，明确要求学生掌握F-P标准具的结构、工作原理和调整方法。其中调整方法部分也可以放在操作部分讲解。具体内容如下：

1. 结构：标准具外围是金属框架，透光部分由两块平行的玻璃片构成，为保证两玻璃片严格平行，外围有三个调解螺丝A、B、C分别负责上、下、左、右调节。

2. 原理：如图2所示，设两平行玻璃片相对内表面之间的距离为d，透射光束与水平轴线的夹角为θ，S为光源，一束平行入射光平行入射后，经过反射投射后汇聚在一起，任意两平行光束都满足干涉条件。干涉方程为2dcosθ=kλ，这也就是F-P标准具的工作原理[2]。

3. 调整方法：重点讲解怎样调F-P 标准具平行。（1）首先要明确根据什么判定两块玻璃片是否严格平行了。这里可以稍给学生思考的时间，然后再讲解。（2）给出调整依据并解释原因。依据就是干涉方程：2dcosθ=kλ。可以先提问，然后以总结学生回答的形式解释原因。（3）根据调整方法进行调整。调整方法：鼠标单击左键调整螺丝，相应的板间距d减小，单击右键相应的板间距增大。根据所给的四个观察方向逐个观察调整。如看到干涉图样是动的，证明两玻璃片没有严格平行，就需要调整。让学生先选择自上向下观察，看到干涉圆环逐渐往外吐即干涉圆环半径自上向下逐渐增大。就此提出问题：由此判断两玻璃片的位置关系，由学生探讨判断后得出结论，然后根据调整方法进行调整，直到看到稳定均匀的干涉图样为止。

三、实验原理

本实验涉及量子物理、原子的外层结构及电子排布规律、原子跃迁、光的偏振、光谱线分裂等理论知识，由于实验课讲授理论的时间有限，本人按以下脉络解释赛曼跃迁产生的原因及谱线分裂的现象。

1. 在没有外磁场作用下即B=0时，一个原子体系受到外界激发，原子从高能级向低能级跃迁时，如果释放出频率为v的一个光子，光子所具有的能量满足的条件是：hv=E2-E1。

2. 把光源置在足够强的外磁场中即B≠0，由于外磁场的作用，上下两个能级附加了新的能量ΔE2和ΔE1，由此使上下两个能级首先进行了分裂。[3]Hg 5461谱线，{6S7S}3S1→ {6S6P}3P2能级跃迁产生，上一个能级分裂成3个，下个能级分裂成5个，如图2所示。正由于能级的分裂，原来只产生一条谱线的，现在就产生若干条了，这就是塞满效应产生的原因。[4]

3. 赛曼跃迁的选择定则

（1）从量子物理角度解释π、σ成分的产生。ΔM=0时为π成份；但当ΔJ=0时，M2=0到M1=0的跃迁被禁止。当ΔM=±1时，为σ成份。（M是磁量子数，ΔM是上下两个能级磁量子数之差。）[5]

（2）实验的主要内容：从垂直于磁场和平行于磁场两个方向观察塞满分裂的情况。当垂直于磁场方向观察时，会看到如图的9条谱线，都为线偏振光。其中，中央三条的光失量振动方向平行于磁场，称为π成分，两侧各三条共6条光矢量振动方向垂直于磁场，称为σ成分。当平行于磁场方向观察时π看不到了，只能看到6条σ成分，而且它由线偏振光转换成圆偏振光，三条左旋三条右旋。

（3）平行于磁场观察时σ成分偏振性与磁场方向及观察方向都有关。沿磁场正向观察时：ΔM=+1为右旋圆偏振光（σ+偏振），ΔM=-1为左旋圆偏振光（σ-偏振）。逆着磁场观察时：ΔM=+1为左旋圆偏振光，ΔM=-1为右旋圆偏振光。

四、实验操作及步骤

由于本实验是利用计算机仿真软件来实现的，不涉及到太多的注意事项，操作部分教师可以尽量少讲解，给学生足够的时间去发挥他们的想象力和创造力。

双击桌面大学物理仿真实验V2.0，找到塞曼效应实验，鼠标单击左键打开，来到主界面后鼠标单击右键看到主菜单，选择开始实验，能看到垂直和平行与磁场两个方向观察塞满效应。首先做垂直磁场的，然后做平行的。

1. 按光路图把实物图连接好，然后鼠标单击左键打开电源有光发出来，调整光路，使各个镜片中心与光线在同一水平线上。

2. 调整好光路鼠标放到F-P标准具上双击左键进入下一步，调整F-P标准具平行。调好之后切记不要直接关闭，鼠标单击左键返回调整状态才保存。

3. 返回到界面之后，鼠标单击右键选择实验项目。垂直时有两个项目需要做：鉴别两种偏振成分和观察塞满裂距的变化。首先看观察指导，按里边具体的要求进行操作，观察现象回答思考题即可。

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。

结论：此教学方案讲解时间不会超过20分钟，但学生很清楚什么是塞曼效应，并能从理论和实验现象结合角度很好地理解塞曼效应产生的原因，也能很好地观察到Hg 5461谱线分裂的现象和谱线的特征，很好地掌握F-P标准具的结构、原理和调整方法。通过观察课上实验操作、课后当面调查及实验报告的情况，所有的反馈都非常好。可以说此种教学方案完全达到了塞满效应实验的目的要求。

【参考文献】

[1]吴思诚，王祖铨. 近代物理实验（第2版）[M]. 北京：北京大学出版社，1995.

[2]林木欣. 近代物理实验教程[M]. 北京：科学出版社，1999.

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

[4]王逗. 利用塞曼效应实验研究原子能级结构[J].大学物理实验，2005，18（4）：11-14.

[5]狄拉克PAM. 量子力学原理[M]. 北京：科学出版社，1965.

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