利用智能手机拍照功能研究塞曼效应实验

刘卫卫

(盐城师范学院,江苏盐城 224002)

利用智能手机拍照功能研究塞曼效应实验

刘卫卫

(盐城师范学院,江苏盐城 224002)

利用智能手机对塞曼效应图谱进行拍摄,并利用Coreldraw软件对图像进行处理,从而计算出电子的荷质比。通过本方法所测得的电子荷质比为1.75×1011C/Kg,与理论值的相对误差仅为0.63%。智能手机的照相功能为研究塞曼效应以及测量电子荷质比提供了一种简便的方法。

塞曼效应;智能手机;电子荷质比

把光源放在足够强的磁场中,原来的一条谱线分裂成几条谱线的现象称为塞曼效应。它证实了电子自旋的存在,推动了量子力学的发展。在塞曼效应研究中,通过观察汞546.1 nm谱线的分裂并对分裂间距进行测量可以测得电子的荷质比[1],计算公式如(1)式所示:

D为干涉环直径;B为磁场强度,d为法布里一珀罗标准具间隔圈的厚度,这两个量都是已知的。因此,要想测量电子荷质比关键是如何精确测量等倾干涉图像的条纹直径。

图1 塞曼π分量分裂谱线干涉条纹的描述

目前测量等倾干涉图像的条纹直径的方法主要有:目视测量望远镜法、传统拍摄法和微机采集CCD法,每种方法各有优缺点[2]。可以发现由于误差、耗时或者成本等问题,上述三种测量方法都有一定的局限性。随着智能手机的普及以及其像素的不断提高,智能手机的照相功能不断得到完善,使得它能够在许多方面得到广泛的应用。本文将利用智能手机的照相功能对塞曼效应分裂图谱进行拍摄,并利用Coreldraw软件对图像进行处理,最终获得电子的荷质比。

1 装置组成与调节

塞曼效应实验装置如图2所示,该装置和以往的不同点是将目视测量望远镜或者CCD相机用智能手机取代。为了防止拍摄过程中手的抖动对图像质量的影响,利用特殊的支架和电容笔进行拍摄等操作。

为了得到清晰的图像,对装置进行了细致的调节,具体调节方法可参考文献[3]。

图2 塞曼效应实验装置图

首先,应该进行光学器件的等高共轴调节,进而调节F-P标准具,旋动三个压紧弹簧的螺丝,直到观察者上下左右移动眼睛,同心干涉圆环的大小不再发生变化,即F-P标准具的两块玻璃片完全平行,做好一切准备工作,准备实验。再将智能智能手机打开它的照相功能,放在图2中位置8。在拍摄过程中发现只有将智能手机的摄像头对准并贴近读数显微镜的镜头才能拍摄到清晰完整的塞曼分裂圆环。否则,拍摄到的将是不完整的干涉圆环。

2 数据采集与处理

2.1 数据采集

采用Coreldraw软件对塞曼效应干涉图谱进行分析测量圆环的直径,进而测定电子的荷质比。首先,打开Coreldraw软件,并新建文档。然后将选取出来的图谱导入该文档。在干涉圆环图样中,找到所有圆环中较为清晰的那个圆环,再应用该软件中的画圆软件,确定出塞曼干涉圆环的圆心。在确定圆心时,可以将获得的图像适当放大,这更有利于更准确地找到圆心,如图3所示。

图3 确定圆心的示意图

通过Coreldraw软件,可以较准确的获得圆心的位置。为了简单快速的得到圆环的直径大小,可以通过圆心做一条水平的直线(即直线上各点纵坐相同),让直线与k级和k-1级的圆环均相交,由于图像的放缩对电子荷质比的计算结果没有影响,所以可以将图像放大后,再进行分析。然后借助鼠标定位功能,将鼠标移动至各交点处,从而获得各交点的坐标。

由于直线上所有点的点横坐标都是相同的,所以相应两点横坐标的差值便是对应圆环直径的大小。因而,可以获得圆环直径的大小。在寻找交点时,由于塞曼分裂圆环有一定的宽度,所以可以由之前所定位的圆心,做出与圆环重合的圆,之后再寻找交点,这样,更有利于确定交点的坐标,如图4所示。

图4 确定圆环直径大小的示意图

各圆环所在位置如表1所示。

表1 圆环与直线各交点横坐标

2.2 数据处理

由表1并根据图1,可以得到:

Dk-1=104.678mm,Dk=Db=56.940mm

Da=46.774mm,Dc=63.077mm

上述所得到的所有环的直径大小并非等于干涉环直径的真实值,它们与真实值存在倍数关系(放大倍数)。从公式(1)可以看出,最终计算的是直径平方差的比值,所以不需计算真实值的大小同样可以得到电子荷质比,而且不影响其准确度。

本试验中,已知B=1.25T,d=2 mm,将这些数据带入式(1),可以得到:

已知电子荷质比的标准值为1.76×1011C/Kg,则它的相对误差为

2.3 直接用测微望远镜读数

为了说明测试的准确度,直接利用测微望远镜对分裂图谱进行测试。

表2 圆环与十字差丝各交点的位置

由表2并根据图1,可以得到:

Dk-1=3.080mm Dk=Db=3.613mm

Da=4.142mm Dc=6.954mm

本试验中,已知B=1.25T,d=2 mm,将这些数据带入式(1),可以得到:

已知电子荷质比的标准值为1.76×1011C/Kg,则它的相对误差为

从以上的分析可以看到,采用智能手机结合Coreldraw软件得到的电子荷质比比直接利用测微望远镜计算得到的电子荷质比更接近公认值。

3 结 论

利用智能手机的拍照功能和Coreldraw软件的图像处理技术相结合的方法对塞曼效应进行分析研究。通过计算得到的电子荷质比为1.75× 1011C/Kg,相对误差仅为0.63%。智能手机的照相功能为研究塞曼效应提供了一种简便的方法。

[1] 吴先球,熊予莹.近代物理实验教程[M].北京:科学出版社,2009.

[2] 王克栋,杨聚宝.塞曼效应实验不同观测方法教学效果分析[J].新乡学院学报:自然科学版,2011,28 (2):276-278.

[3] 陈星辉,周昕.塞曼效应实验中等高共轴调节问题探讨[J].大学物理实验,2014.27(2):72-74.

Research of Zeeman Effect Based on the Camera of Smart Phone

LIUWei-wei
(Yancheng Teachers University,Jiangsu Yancheng 224002)

It using smart phone to shoot Zeeman effectmap and using CorelDraw to handle the data of the image.And then,calculates the charge-mass ratio of electron.By thismethod,the charge-mass ratio of electron was calculated about1.749×1011C/Kg.The percentage error is0.63%when compared with theoretical value. Thismethod provides a convenientway to study Zeeman effect and calculate the charge-mass ratio of electron.

Zeeman effect;smart phone;charge-mass ratio of electron

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.021

1007-2934(2015)06-0072-03

2015-07-18