基于数字化塞曼效应实验系统的实验方法研究

本文介绍了一种新型的数字化塞曼效应实验装置和PASCO系统的PASCO Capstone数据处理软件，在二者组成的实验系统下完成了塞曼效应实验现象的观察和视频记录，测量了在不同磁场强度下的电子荷质比。利用该方法最终计算出的电子荷质比的平均值为1.774 × 10^11 C/kg，与电子荷质比标准值1.759 × 10^11 C/kg的相对误差为0.853%，该方法具有易共轴调节、便于实验教学以及测量精度高于传统的测量方法等优点，可作为一种塞曼效应实验方法的参考。

1896 年，荷兰物理学家塞曼发现，当把光源置于足够强的磁场中时，光源发出的谱线会发生分裂， 分裂谱线的数量与原子能级有关，并且所发出的谱线都是偏振的。这种在外加磁场作用下，原子能级发生分裂的现象就被称为塞曼效应。塞曼效应是继法拉第磁光效应和克尔磁光效应发现之后的另一种磁光效应，它揭示了原子内部运动的量子效应，是研究原子内部结构的一种重要方法，在物理学史上具有重大意义[1] [2]。

塞曼效应实验的传统方法包括显微目镜法和拍摄底片法，在对实验现象进行观察时，两种方法都存在不便，显微目镜法容易使观察者视觉疲劳，拍摄底片法过程较繁琐，在对电子荷质比进行计算时，传统的目镜法随机误差较大，所测得的电子荷质比平均值相对误差约为1.5%左右，而拍摄底片法所测得的电子荷质比平均值相对误差约为1.1%，但拍摄底片法测量结果受感光时间影响较大[3] [4]。针对传统实验的缺陷，在对塞曼效应实验进行改进时，一般从实验装置、观测方法以及实验数据处理方法三个方面进行，随着数字化技术的发展与广泛应用，塞曼效应实验逐渐向着数字化方向发展，利用数字化技术设计的微机塞曼效应实验仪可以将塞曼效应现象搬到计算机屏幕上，从而解决了传统实验中实验现象观测困难的问题，同时，微机塞曼效应实验装置中利用各种编程软件设计的塞曼效应实验数据处理软件，可以很方便地测量干涉圆环直径和智能地计算电子荷质比，目前，利用微机塞曼效应实验仪进行实验的方法已经成为了各高校实验室塞曼效应实验的主流方法[5] [6]。然而，在实验实际操作中，光路的共轴调节是实验的一个重难点，在利用计算机软件进行干涉圆环直径测量时，在成像系统的像素和分辨率一定的情况下，光学元件共轴调节的越好，干涉圆环才会越锐细，测得的干涉圆环直径才会越准确，因此，共轴调节的好坏是影响电子荷质比计算精确度的重要因素，同时，过于智能化的实验软件不便于学生学习实验数据的详细处理步骤[7]。本文利用一种新型的塞曼效应实验装置，该实验装置在通用的光学元件的基础上进行了一定的集成化，可以减少共轴调节时的困难，同时，利用PASCO capstone 软件进行数据采集和处理，使整个实验过程清晰、目的明确。