6s7s3 S1 能级跃迁到6s6p 3P2 能级产生的谱线。其能级图及相应的M、g、Mg值如图五所示。上能级6s7s 3S1分裂为3个子能级，下能级6s6p3 P2分裂为5个子能级，根据选择定则有9种允许的跃迁，即可分裂为9条谱线。分裂后的九条谱线是等间距的，间距为1/2L0洛仑兹单位，九条谱线的光谱范围为4L0。图五中，为了便于区分，将π线画在υ轴上方，σ线画在υ轴下方。各线段的长度表示谱线的相对强度。
四、实验内容
1. 调整光路
(1) 将导轨放在工作台上，调整水平螺丝，使导轨成水平状态。 (2) 将电磁铁放在工作台上紧靠导轨尾部，连接稳流稳压电源。 (3) 把笔型汞灯放在电磁铁的磁极间，用漏磁变压器点燃汞灯。 (4) 放置聚光透镜使它的照明光斑均匀。
(5) 放置干涉滤光片，使汞灯光斑充满干涉滤光片孔径。
(6) 放置法布里-珀罗标准具，调整其与干涉滤光片同轴，调节微调螺丝，使两镜片
严格平行。 2. 观察塞曼效应
(1) 横向塞曼效应：
调节F-P标准具。用眼睛直接观察时可在它的中央看到严格的等倾干涉条纹。这时，上下或左右移动眼睛，随之移动的干涉花样上环心处应明暗不变，即，环心处没有圆环涌现或消失。F-P的调节通过三个螺钉改变压力来实现的。F-P是精密光学仪器，不宜频繁调节，本实验用的F-P已调好，不必再调。
调节光学系统的共轴，使从测微目镜中观察时，至少有5个干涉圆环可以测量。点燃汞灯，使光源发出的光经过透镜L1直射向测微目镜M。M置于光具座的中轴线上，它的读数也置于读数范围的中央。使从测微目镜中观察时，通过L2的光束尽可能地强。在测微目镜中可观察到干涉圆环的中央。经仔细调节后，左右条纹应对称并且有5个或更多的圆环环足够明亮。
从零逐渐增大磁场B，观察汞绿线（546.1nm）的分裂与磁场的关系，加偏振片并旋转 偏振片（00、450、900）确定π线成分和σ线成分。
为了增大裂距可逐渐加大磁场B直至原来相邻的两个干涉圆环分裂后的最靠近的两个圆环完全重叠（如图-６所示，k级的最外侧的一条和k-1级的最内侧的一条）。在实验中判断和熟悉重叠一条时的干涉花样。
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k k-1 汞绿线分裂九条的光谱范围用波数表示为4L0，
(a) L0为洛仑兹单位，其值随磁场B成正比增加。而F-P
k k-1 (b) σπσ σπσ 标准具的自由光谱范围为一定值1/2d (d为平行板间距)。当4L<2d时，不同的谱线分裂后不会发生重叠。当4L=1/2d时，k-1级内侧红端的一条谱线将与k级外侧紫端的一条谱线正好重叠。这时相邻两级之间的条纹数为7条，间隔数为8个。如果重叠两条，则相邻两级之间有6个条纹和7（9-2）个间隔。每一间隔占有的光谱范围为自由光谱范围的1/（9-2），乘以8应等于九条分裂谱线的光谱范围。即
81 (3.20)
4L??9?22d类似地，如果重叠x条，则
图六 相邻谱线在磁场中的分裂
(a)无磁场时 (b)磁场较弱尚未重叠时 (c )磁场较强重叠一条时
L?1 (3.21) (9?x)dx的最大值为8。上式仅用于汞绿线或跃迁前后原子状态与汞线相同的谱线。
用摄像机拍下未加磁场时的谱线，加磁场时分裂的谱线，加偏振片后的π线和σ线，并保存打印。
(2) 纵向塞曼效应
抽掉电磁铁一端的芯棒，将电磁铁旋转900使汞灯光束从小孔射出。部件的安置调整与横向实验相同。在电磁铁小孔前加λ/4波片给圆偏振光以附加的π/2位相差，使圆偏振光变为线偏振光。波片上箭头指标方向的慢轴方向表示位相落后π/2。偏振片顺时针旋转450时，可见分裂的两条谱线其中一条消失了，偏振片逆时针旋转450时，可见消失的一条重现，而另一条消失，证实分裂的两条谱线是左、右旋圆偏振光。分别摄下左、右旋圆偏振光。
五、数据分析与处理
分别拍摄未加磁场和加磁场所得到的谱线以及加偏振片后得到的谱分量。
六、注意事项
1. 汞灯的工作电压近万伏，又是在暗室中进行操作，注意高压安全。 2. 严禁用手和其他物体触摸F-P标准具等光学元件的光学表面。 3. 摄像机使用完毕后务必将防尘盖拧上。
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七、思考题
1. F-P标准具产生的干涉图样是多光束干涉的结果，它与牛顿环、迈克尔逊干涉仪的双光束干涉图样有何区别？
2.１／４波片如何观察σ成分的圆偏振光特性？
参考文献
1.何元金，马兴坤主编. 近代物理实验，北京，清华大学出版社，2003年
2.陈守川主编. 大学物理实验教程，杭州，浙江大学出版社，1994年
[附录] 在磁场中原子产生附加能量的理论推导
1、 原子的总磁矩与总角动量的关系
塞曼效应的产生是原子磁矩与外加磁场作用的结果。根据原子理论，原子中的电子既作轨道运动又作自旋运动。原子的总轨道磁矩μL与总轨道角动量PL的关系为
?L?epL,2mpL?L(L?1)?, (1)
原子的总自旋磁矩?s与总自旋角动量ps的关系为
?s?geps,2mps?S?(S?1)?, (2)
式中，m为电子质量。L为角动量量子数，S为自旋量子数，?为普朗克常数除以2π。如图1所示，原子轨道角动量和自旋角动量合成为原子的总角动量PJ ，原子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩μ。由于μS/PS的值不同于μL/PL的值，总磁矩矢量μ不在总角动量PJ的延长线上，而是绕PJ 进动。由于总磁矩垂直于PJ方向的分量??与磁场的作用对时间的平均效果为零，只有平行于PJ的分量是有效的，μJ称为原子的有效磁矩，μJ的大小由（3）式决定
?J?g式中：J为量子数，对于LS耦合有
epJ,2mpJ?J(J?1)? (3)
g?1?J(J?1)?L(L?1)?S(S?1) (4)
2J(J?1)g为朗德因子，它表征了总磁矩和总角动量的关系，而且决定了能级分裂的大小。 14
2、 外磁场对能级分裂的作用
原子的总磁矩在外磁场中受到力矩N=μ× B的作用，原子的总角动量PJ和磁矩μJ绕
磁场方向进动，如图2所示。进动而引起的附加能量⊿E为
?E???JBcos??gepJBcos? (5) 2m式中β为PJ与B的夹角。由于μ或PJ取向是量子化的，即PJ在磁场方向的分量也是量子化的，它只能是h/2π的整数倍，即
pJcos??M?,式中Ｍ为磁量子数，因此
M?J,J?1,???,J???,?J, (6)
?E?Mge? (7)
B2m可见，附加能量不仅与外磁场有关，还与朗德因子有关。磁量子数Ｍ共有２Ｊ＋１个值，因此原子在外磁场中时原来一个能级将分裂成２Ｊ＋１个能级。
?? μJ ? ?S B ?L μJ α β
pspL PJ 图1 原子磁矩与角动量的矢量模型 PJ 图2 μJ和PJ的进动
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