塞曼效應實驗教學設計

李曉波

【摘要】塞曼效應是物理學史上一個著名的實驗，是原子的光譜線在外磁場中出現分裂的現象。本實驗通過計算機模擬分別在垂直和平行磁場兩個方向觀察Hg（546.1nm）譜線的塞曼分裂情況。由于本實驗涉及的理論知識很多，而實驗課講授理論的時間又有限，為了解決這個問題。本文提供了一種有效的賽曼效應實驗教學案例，可供相關的實驗教學老師參考。

【關鍵詞】賽曼效應 物理實驗 教學設計

塞曼效應是物理學史上一個著名的實驗。荷蘭物理學家塞曼（Zeeman）在1896年發現把產生光譜的光源置于足夠強的磁場中，磁場作用于發光體，使光譜發生變化，一條譜線即會分裂成幾條偏振化的譜線，這種現象稱為塞曼效應。這個現象的發現是對光的電磁理論的有力支持，證實了原子具有磁距和空間取向量子化，使人們對物質光譜、原子、分子有更多了解。

目前，許多高校都在開設這個實驗，主要目的有兩個：其一是通過計算機仿真軟件研究汞原子（546.1nm）譜線在磁場中的分裂情況；其二是掌握F-P標準具的結構、原理和調整方法。[1]

塞滿效應實驗涉及量子物理、光的偏振及原子能級等很多理論知識。但很多高校在開設這個實驗時，學生對其中的很多理論知識掌握得不夠甚至根本就不了解，同時又由于這些知識比較抽象晦澀難懂，這就直接影響到了實驗的效果。而實驗課講授的時間一般不能超過20分鐘，所以如何利用有限的時間把主要的理論和操作步驟講解清楚就顯得尤為重要。根據多年的教學和反復的探討，給出了以下實驗教學方案。

一、實驗簡介

首先開門見山給出什么是賽曼效應。使學生馬上開始進入學習狀態。在講解時給出由此發現，1902年塞曼與洛侖茲共同獲得了諾貝爾物理學獎，這會使學生對實驗充滿好奇和渴望。由于上邊已介紹過塞滿效應在此就不加贅述了。

二、儀器介紹

由于課前已經要求預習，其他儀器簡單介紹，課上重點介紹F-P標準具，明確要求學生掌握F-P標準具的結構、工作原理和調整方法。其中調整方法部分也可以放在操作部分講解。具體內容如下：

1. 結構：標準具外圍是金屬框架，透光部分由兩塊平行的玻璃片構成，為保證兩玻璃片嚴格平行，外圍有三個調解螺絲A、B、C分別負責上、下、左、右調節。

2. 原理：如圖2所示，設兩平行玻璃片相對內表面之間的距離為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，經過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標準具的工作原理[2]。

3. 調整方法：重點講解怎樣調F-P 標準具平行。（1）首先要明確根據什么判定兩塊玻璃片是否嚴格平行了。這里可以稍給學生思考的時間，然后再講解。（2）給出調整依據并解釋原因。依據就是干涉方程：2dcosθ=kλ。可以先提問，然后以總結學生回答的形式解釋原因。（3）根據調整方法進行調整。調整方法：鼠標單擊左鍵調整螺絲，相應的板間距d減小，單擊右鍵相應的板間距增大。根據所給的四個觀察方向逐個觀察調整。如看到干涉圖樣是動的，證明兩玻璃片沒有嚴格平行，就需要調整。讓學生先選擇自上向下觀察，看到干涉圓環逐漸往外吐即干涉圓環半徑自上向下逐漸增大。就此提出問題：由此判斷兩玻璃片的位置關系，由學生探討判斷后得出結論，然后根據調整方法進行調整，直到看到穩定均勻的干涉圖樣為止。

三、實驗原理

本實驗涉及量子物理、原子的外層結構及電子排布規律、原子躍遷、光的偏振、光譜線分裂等理論知識，由于實驗課講授理論的時間有限，本人按以下脈絡解釋賽曼躍遷產生的原因及譜線分裂的現象。

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

2. 把光源置在足夠強的外磁場中即B≠0，由于外磁場的作用，上下兩個能級附加了新的能量ΔE2和ΔE1，由此使上下兩個能級首先進行了分裂。[3]Hg 5461譜線，{6S7S}3S1→ {6S6P}3P2能級躍遷產生，上一個能級分裂成3個，下個能級分裂成5個，如圖2所示。正由于能級的分裂，原來只產生一條譜線的，現在就產生若干條了，這就是塞滿效應產生的原因。[4]

3. 賽曼躍遷的選擇定則

（1）從量子物理角度解釋π、σ成分的產生。ΔM=0時為π成份；但當ΔJ=0時，M2=0到M1=0的躍遷被禁止。當ΔM=±1時，為σ成份。（M是磁量子數，ΔM是上下兩個能級磁量子數之差。）[5]

（2）實驗的主要內容：從垂直于磁場和平行于磁場兩個方向觀察塞滿分裂的情況。當垂直于磁場方向觀察時，會看到如圖的9條譜線，都為線偏振光。其中，中央三條的光失量振動方向平行于磁場，稱為π成分，兩側各三條共6條光矢量振動方向垂直于磁場，稱為σ成分。當平行于磁場方向觀察時π看不到了，只能看到6條σ成分，而且它由線偏振光轉換成圓偏振光，三條左旋三條右旋。

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

四、實驗操作及步驟

由于本實驗是利用計算機仿真軟件來實現的，不涉及到太多的注意事項，操作部分教師可以盡量少講解，給學生足夠的時間去發揮他們的想象力和創造力。

雙擊桌面大學物理仿真實驗V2.0，找到塞曼效應實驗，鼠標單擊左鍵打開，來到主界面后鼠標單擊右鍵看到主菜單，選擇開始實驗，能看到垂直和平行與磁場兩個方向觀察塞滿效應。首先做垂直磁場的，然后做平行的。

1. 按光路圖把實物圖連接好，然后鼠標單擊左鍵打開電源有光發出來，調整光路，使各個鏡片中心與光線在同一水平線上。

2. 調整好光路鼠標放到F-P標準具上雙擊左鍵進入下一步，調整F-P標準具平行。調好之后切記不要直接關閉，鼠標單擊左鍵返回調整狀態才保存。

3. 返回到界面之后，鼠標單擊右鍵選擇實驗項目。垂直時有兩個項目需要做：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，按里邊具體的要求進行操作，觀察現象回答思考題即可。

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。

結論：此教學方案講解時間不會超過20分鐘，但學生很清楚什么是塞曼效應，并能從理論和實驗現象結合角度很好地理解塞曼效應產生的原因，也能很好地觀察到Hg 5461譜線分裂的現象和譜線的特征，很好地掌握F-P標準具的結構、原理和調整方法。通過觀察課上實驗操作、課后當面調查及實驗報告的情況，所有的反饋都非常好。可以說此種教學方案完全達到了塞滿效應實驗的目的要求。

【參考文獻】

[1]吳思誠，王祖銓. 近代物理實驗（第2版）[M]. 北京：北京大學出版社，1995.

[2]林木欣. 近代物理實驗教程[M]. 北京：科學出版社，1999.

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

[4]王逗. 利用塞曼效應實驗研究原子能級結構[J].大學物理實驗，2005，18（4）：11-14.

[5]狄拉克PAM. 量子力學原理[M]. 北京：科學出版社，1965.