维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第３期 西安工业大学学报 Ｖ０１．２８ Ｎｏ．３ ２００８年Ｏ６月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉ’ａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｊｕｎ．２００８ 文章编号：１６７３—９９６５（２００８）０３—２０５—０３ ＣＣＤ图像技术在塞曼效应分析中的应用 李武军，王晓颖 （西安工业大学数理系，西安７１００３２） 摘要： 为了研究塞曼效应的谱线情况，用量子理论和ＣＣＤ图像相结合的方法分析了 Ｈｇ（５４６．１ ｎｍ）谱线在外磁场中的．根据强度分析获得的峰值坐标计算得到电子核质比为 １．７６２×１０１１ Ｃ／ｋｇ，与公认值的相对误差仅为０．２ ，表明用高分辨率ＣＣＤ观察拍摄塞曼效应 的谱线比传统方法更直观方便．进一步结合图像的强度分析，不仅能更好的描述塞曼 谱线的细节，而且能获得较为精确的电子荷质比值． 关键词： 塞曼效应；磁场；ＣＣＤ图像；强度分析 中图号：０５６２．３２ 文献标志码：Ａ 光源放置于足够强的外磁场中，发光原子发出 ｍ为电子质量，ｃ为光速，ｇ为朗德因子，其值为 的谱线会发生，谱线的数目和原子的能级 一１一－』！』± ２＝ （ ± ２± ！ ± ２ （２） 有关，谱线的裂距（或原子能级的裂距）与 ‘’ ２．『（．『＋１） … 磁场的大小有关，谱线具有的偏振特性与磁场 式中：Ｌ为总角动量量子数；Ｓ为总自旋量子数［ ． 的方向有关，此现象即为塞曼效应．塞曼效应不但 对于Ｈｇ（５４６．１ ｎｍ）谱线是由（６Ｓ７Ｓ）。Ｓ１到 可以证明原子具有磁矩和空间量子化，也可以确定 （６Ｓ７Ｐ）。Ｐ。能级跃迁所产生，其在足够强的磁场中 朗德ｇ因子和测定电子的荷质比［１ ；对原子塞曼 发生时，上能级将为３个子能级，下能级 效应的研究也极大的推动了量子理论的发展，至今 将为５个子能级，从而在外磁场作用下，根据 塞曼效应仍然是研究原子能级结构的重要方法之 跃迁定则发出的谱线将为９条谱线［７］．相应的 一［３ ］．Ｈｇ（５４６．１ ｎｍ）的塞曼效应是观察原子能级 各能级的量子数分布和能级如图１所示． 的一个很好的情况，本文结合量子理论和 ＣＣＤ数字图像详细解析了Ｈｇ（５４６．１ ｎｍ）谱线在 ｌ ２ ０ ０ 外磁场中的能级情况． ．１ －２ １ Ｈｇ（５４６．１ ｒｉｍ）塞曼效应分析 ２ ３ 当光源置于外磁场中时，原子的能级要发生分 ，， ，ｌ ３／２ ｒ ＇ 裂，无外磁场时的一个能级在外磁场作用下要 ０ ０ ：、、 ’ ・・１－３／２ 为２Ｊ＋１个，其中Ｊ为原子的总角动量量子数．能 ・Ｍ，ｇＩ ‘２，－３／２，‘１；－１ １２，０，１／２；１，３／２，２ ２ ．３ ‘级后的谱线与未的原谱线的波数差为 ｏ‘ Ⅱ ｏ 一 Ｄ Ａｖ一（Ｍ２ｇ２一Ｍ１ｇ１）≠ ‘士ｉｔ￣ｇｇ／．￣ （１） 图１ Ｈｇ（５４６．１ ｎｍ）谱线的能级量子数 分布及其在磁场中的 式中：磁量子数Ｍ—Ｊ，Ｊ一１，…，一Ｊ；共取２Ｊ＋１ Ｆｉｇ．１ Ｑｕａｎｔｕｍ ｎｕｍｂｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｉｌｔ ｉｎ 个值，Ｂ为外加磁场的磁感应强度，ｅ为电子电量， ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｏｆ．Ｈｇ（５４６．１ ｎｍ）ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｌｉｎｅ ＊收稿日期：２００８’０４‘０７ 作者简介：李武军（１９７ｏ＿），男，西安工业大学副教授，主要研究方向为物理实验教学与研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｗｕｊｕｎ＠】【ａｔｕ ｅｄｕ．ｃ几 维普资讯 http://www.cqvip.com 西安工业大学学报 第２８卷 根据跃迁选择定则和原子辐射理论知，图１分 其与原未谱线的波数差依次为一３／２，一１，一 裂谱线具有以下特点： １）当 一０时，产生 线，其特点是在沿垂 旋转偏振片至透光方向和磁场平行，仅保留了 线对应的３条谱线，拍摄得到的谱线图 ２．２波数差的实验测量 直于磁场方向观察时，该三个子光谱为线偏振 光，并且其光振动方向平行于磁场方向；在平行于 磁场的方向观察时，光强度为零． ２）当 一±１时，产生 线，其特点是在垂 直磁场的方向观察时，其也为线偏振光，但其光振 根据塞曼谱线中同级谱线对应的波数差 动方向垂直于磁场方向；在平行于磁场的方向上观 察，光线的传播方向平行于磁场时， 为左旋圆偏 振光， 线为右旋圆偏振光；光线的传播方向反平 行于磁场方向时， 为右旋圆偏振光， 为左旋旋 圆偏振光． ３）上下两个能级形成的能级之间的裂距 不相等，但各自能级之间的裂距相等．上能级 后相邻子能级之间的裂距为２Ｂｅ／４￣，下能 级后相邻子能级之间的裂距为 ３／２（Ｂｅ／４ ）． ４）参照图１，对应的谱线与原谱线的波数 差从最左端的２Ｂｅ／４￣，依次增加ｉ／２（Ｂｅ／４￣， 至最右端２Ｂｅ／４￣；表明９条谱线的波数从 左至右依次均匀增加． ２塞曼效应的数字图像 ２．１塞曼效应的数字图像观察 采用ＷＰＳ型塞曼效应实验装置，增加ＣＣＤ 计算机图像采集，在磁场感应强度Ｂ—１．１Ｔ，Ｆ—Ｐ 标准具间隔ｄ一２ ｍｍ时，得到的Ｈｇ（５４６．１ ｎｍ） 塞曼效应的谱线图像如图２（ａ）所示．图中由 于第１条谱线和第９条谱线相对强度太 小，不能清晰观察到，其余７条谱线可明显的 观察到．这７条谱依次对应于每一组谱线 中，从远离圆心的最外层到最靠近圆心的最里层， （ａ）谱线 （ｂ）７ｃ线 图２塞曼效应的谱线图 Ｆｉｇ．２ Ｓｐｉｌｔ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｌｉｎｅ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｚｅｅｍａｎ ｅｆｆｅｃｔ 一－ １芒 ㈤ 式中： 为Ｆ—Ｐ标准具的间隔， ， 一 为未加磁 场时同一波长（此时谱线只有５４６．１ ｎｍ）不同级次 干涉圆环的直径，Ｄ ，Ｄｚ为加入磁场后，入射到标 准具上的光谱同一级对应的干涉圆环的直径． 采用光强分析软件对图２（ｂ）得到的图像进行 分析，在通过干涉圆环的直径方向上的一维光强分 布曲线如图３所示．图中横坐标单位为像素，纵坐 Ｉ 、／＼＾ ｏ 图３一维光强分布曲线 Ｆｉｇ．３ Ｏｎｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ＣＨＩＶｅ 从强度分布曲线图中找出峰值强度对应的坐 标值，进而求出各干涉圆环的直径，带人到式（３） 中，可得两条７ｃ谱线的波数差△云一５１．４５．将 测得值带人由塞曼效应计算电子核质比的公式 旦一 垡一 ＾ ｆ４） ｍ ｄＢ Ｄ０１一Ｄｌ Ｂ一 ‘ … 可得核质比ｅ／ｍ—１．７６２×１０¨Ｃ／ｋｇ，把该结 果与公认值１．７５８ ８×１０¨Ｃ／ｋｇ比较可见，两者相 对误差仅为０．２ ．考虑到在选取强度分析时所选 取的线并不一定准确的选取在过圆心的直径上，会 在利用像元坐标计算直径时引入一定的分析误差； 再者在图像在获取的过程中也可能存在干扰噪声， 使得图像产生假峰值；以及像元的分辨本领有限也 会引入一定的误差．但与其他方法比较，该方法进 行测量所需实验测量时间短，具有很好的重复性． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 李武军等：ＣＣＤ图像技术在塞曼效应分析中的应用 ２０７ ｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｏｆ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｌｉｎｅｓ ｉｎ ａ Ｍａｇ— ３结语 ｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ ｂｙ Ｚｅｅｍａｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃａｐｉｔａｌ Ｎｏｒｍａｌ 采用高分辨率ＣＣＤ拍摄得到的塞曼效应图像 Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００２，２３（４）：３５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 与直接通过读数望远镜观察相比，其更直观方便， ［４］ 刘景林．塞曼效应实验的一个应用［Ｊ］．佳木斯大学学 且进一步对图像进行处理后，可得到谱线的相 报，２００６，２４（３）：４３３． ＬＩＵ Ｊｉｎｇ－ｌｉｎ．Ａｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｚｅｅｍａｎ Ｅｆｆｅｃｔ Ｅｘｐｅｒ— 对光强分布曲线．不仅能更准确方便的得到谱 ｉｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００６，２４（３）： 线的波数差和电子的核质比，而且能了解到塞曼效 ４３３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 应的细节图像．对观察塞曼效应的实验现象，深入 Ｉ－５］ 马靖．磁感应强度Ｂ与Ｆ—Ｐ标准具自由光谱范围的 理解塞曼效应的物理思想，增加对塞曼效应的本质 关系ＥＪ１．大学物理，２００４，２３（３）：３９． 认识，以及进一步讨论塞曼效应理论的更深层次问 ＭＡ Ｊｉｎｇ．Ｒｅｌａｔｉｏｎ Ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｂ 题具有积极的作用． ａｎｄ ｔｈｅ Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ ｏｆ Ｆ—Ｐ Ｅｔａｌｏｎ［Ｊ］．Ｃｏｌ— ｌｅｇｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００４，２３（３）：３９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 参考文献： ［６３ 刘志华，刘瑞金．关于正常塞曼效应现象的理论解释 ［１］ Ｏｂａ Ｍ，Ａｋａｏｋａ Ｋ，Ｍｉｙａｂｅ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｚｅｅｍａｎ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ［Ｊ］．山东理工大学学报，２００６，２０（５）：４７． Ａｔｏｍｉｃ Ｕｒａｎｉｕｍ ｉｎ ｔｈｅ Ｈｉｇｈ Ｌｙｉｎｇ Ｏｄｄ Ｌｅｖｅｌｓ ＬＩＵ Ｚｈｉ—ｈｕａ，ＬＩＵ Ｒｕｉ—ｊｉｎ．Ｔｈｅ Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒｐｒｅ— Ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ Ｌａｓｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏ— ｔａｔｉｏｎｓ ｔｏ ｔｈｅ Ｎｏｒｍａｌ Ｚｅｅｍａｎ Ｅｆｆｅｃｔ Ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｐｙ［Ｊ］．Ｅｕｒ Ｐｈｙｓ．Ｊ．Ｄ，２０００，１０，３４９． ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ［２］ Ｄｅｓｍｕｒｓ Ｊ Ｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｚｅｅｍａｎ Ｐａｔｔｅｒｎ ｗｌｔｈ ＶＬ— ２００６，２０（５）：４７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ＢＩ［Ｊ］．Ａｓｔｒｏｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｓｐａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００４，２９２： Ｊ 王健，邹红林，韩姝．采用塞曼效应仪测定电子核质比 ３６５． 方法研究口］．计量与测试技术，２００５，３２（３）：８． Ｅ３］ 刘战存，李江华．塞曼对线光谱在磁场中发生效 ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ，ＺＯＵ Ｈｏｎｇ－ｌｉｎ，ＨＡＮ Ｚｈｕ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ 应的实验研究［Ｊ］．首都师范大学学报，２００２，２３（４）： Ｅｌｅｃｔ Ｒｏｎｉｃ Ｃｈａｒｇｅ—ｍａｓｓ Ｒａｔｉｏ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈ— ３５． ｏｄｓ ｂｙ Ｚｅｅｍａｎ Ｅｆｆｅｃｔ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ ＬＩＵ Ｚｈａｎ—ｃｕｎ，ＬＩ Ｊｉａｎｇ—ｈｕａ．Ｔｈｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅ— Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２００５，３２（３）：８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＣＤ Ｉｍ ａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｚｅｅｍａｎ Ｅｆｆｅｃｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＬＩ Ｗｕ－ｊｕｎ，ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｙｉｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｘｉ’ａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００３２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｓｐｉｌｔ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ Ｚｅｅｍａｎ ｅｆｆｅｃｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｐｉｌｔ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｌｉｎｅ ｏｆ Ｈｇ（５４６．１ ｎｍ）ｉｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｔｈｅｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ＣＣＤ ｉｍａｇｅ ｄｉｓｐｏｓａ１．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ－ｍａｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｉｓ １．７６２×１０ Ｃ／ｋｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｖａｌｕｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｒｒｏｒ ｗｉｔｈ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ ｏｎｌｙ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ０．２ ．ＣＣＤ ｉｍａｇｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｍｏｒｅ ｉｎｔｕｉｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ．Ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｆａｗｔｈｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ＣＣＤ ｉｍａｇｅ ｔｅｃｈｉｎｅｏｇｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌ ｏｆ Ｚｅｅｍａｎ ｓｐｉｌｔ ｓｐｅｃｔｒｕｍ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｏｂｔａｉｎｓ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ—ｍａｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｚｅｅｍａｎ ｅｆｆｅｃｔ；ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ；ＣＣＤ ｉｍａｇｅ；ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ （责任编辑、校对张立新）
