ZM2000B型塞曼效应实验系统直观化改进

【摘要】ZM2000B型塞曼效应实验系统的一维CCD线阵采集系统获得的分裂曲线及其自带数据处理系统既“陌生”又“神秘”。我们改用数码相机直接拍摄干涉圆环图像，再利用MATLAB和EXCEL等学生熟悉的软件工具，结合相关理论自主处理计算，获得相关数据信息。此改变不仅缩短实验教学时间，还调动学生的积极性，充分利用课余时间，综合运用所学知识与技能，使塞曼效应的理论及从理论到的探索过程更加直观清晰。

【关键词】ZM2000B型塞曼效应实验系统;数码相机;MATLAB;EXCEL

塞曼效应实验不仅能让学生通过光信号来看原子[1]，而且该实验系统包括观察干涉图的光路系统、测试系统，有的还涉及光电子系统和微机信号处理系统，学生还能接触到应用广泛的高分辨分光仪器、线光谱光源、对均匀性有相当要求的磁场[2]。因此，学生在实验中又能得到一系列技术上的训练和启发。ZM2000B型塞曼效应实验系统是以一维CCD线阵来采集塞曼分裂图，借助数据处理软件获得实验结果[3]。学生对数据处理系统既“陌生”又“神秘”，不但对其中的技术体会不深，塞曼效应的物理原理理解也不透彻。学生只是盲目的照做，以获得数据为最终目的，实验失去了意义。

为此，我们对ZM2000B型塞曼效应实验系统进行了直观化改进。本文利用数码相机代替一维CCD线阵获取塞曼分裂干涉图谱，采用学生熟悉的语言如MATLAB、EXCEL，自主设计程序算法，测量、处理数据，得到结果。

1.用数码相机代替一维CCD线阵获取塞曼效应分裂图谱

利用数码相机仅仅是代替ZM2000B型塞曼效应实验系统中的一维CCD线阵，其他部分并没有改变。所以拍摄前仍然要调节好光路，使得汞灯发光中心、透镜的光心、滤光片、偏振片、F-P标准具和相机的镜头透镜中心等高并且共轴。拍摄时要根据实验时暗室环境光照条件的特点，调节相机的感光度（ISO）、光圈值（F）大小等各个参数，使得相机取景屏上能看到光强合适的谱线;再调节相机的焦距，使其能够分辨出分裂后细锐的谱线。一旦发现在相机取景屏显示出的图像上某个部位偏亮或偏暗，要及时调整照相机的位置，必要时根据干扰光的来源，在相机周围采取相应的遮光措施，以确保拍摄到理想的分裂谱图。另外，拍摄时要防止相机抖动。若相机有轻微抖动，会造成拍到的绿色干涉环有叠影，抖动严重时造成干涉图样模糊，所以实验过程应尽量不碰动实验平台和相机。

这一过程还可以向学生讲授一些照相技术。

2.应用MATLAB和EXCEL测量、处理数据

塞曼效应主要是测出拍到的干涉环直径获得分裂后每条谱线与原谱线之间的波数差进而在得到荷质比，因此，干涉环直径的测量至关重要。为了尽可能准确的得到谱线干涉环的直径，本文应用MATLAB数字图像处理技术[4]，提取实验谱线数字图像的绿色灰度矩阵，消除图像中较暗的灰度值，并对初步处理后的图像二值化。再应用二值图像的处理函数，去除噪声。接着，用图像分割的方法，来标注图像中的各个连通区域（本文中连通区域是指各个绿色圆环），并根据面积最大连通区域拟合圆和计算圆心坐标。然后，提取图像特定区域，经过二值图像的闭运算，达到平滑图像的效果，并根据连通区域检测圆并计算直径。至此，检测和读取谱线直径的工作结束。

按以上思路编辑号程序后，在MATLAB命令窗口，依次输入调用函数命令以分别调入未分裂、π光和σ光的数字图像。命令窗口中将得到汞（本文检测的是汞灯的546.1nm谱线）的塞曼效应中不同成分光各级干涉环的直径。与此同时，在MATLAB的三个不同的figure窗口中会分别显示未分裂的、π光、σ光的谱线检测拟合的吻合情况，由此也可直观地判断所拍摄到干涉环图像的优劣。拍摄到的谱线数字图像（数码电子相片）的质量越好，经本程序检测后得到的拟合圆跟图像中的干涉环的吻合度就越好，由此得到实验的数据也就越准确。

再将该组直径值导入EXCEL表格（在EXCEL中设计好算法）的指定单元格中，便可得到数据计算结果。

3.教学实践收获

经过这样直观化的改革，学生对塞曼效应不再陌生，对这个实验也感兴趣了。很多同学也感受到了学过的MATLAB、EXCEL的强大功能。也有一部分能量较强的同学自主编写程序，还有部分同学用Vb、Vc等软件的。学会了对圆直径信息的提取。还有一部分同学对照相技术产生了兴趣。这一次的改革，收获更多的是学生体会到了物理蕴含的强大技术，物理不再是单纯的计算。

4.小结

本文利用数码相机代替了ZM2000B型塞曼效应实验系统的一维CCD线阵获取塞曼效应分裂图谱，及学生熟悉的语言MATLAB、EXCEL，对塞曼效应实验进行了直观化改进。不但大大缩短了原实验采集干涉环直径所需的时间，还提高了学生软件应用能力，学生也体会到了物理蕴含的强大技术，物理不再是单纯的计算。

参考文献

[1]褚圣麟.原子物理学[M].北京：高等教育出版社，1979.

[2]赵海英.塞曼效应实验的CCD测量法[J].大学物理实验，2002，l5（3）：33-34.

[3]Chen Quan and Sha PUTERIZED ZEEM AN EFFECT APPARATUS USING CHARGE-COUPLED DEVICE CAM ERA[J].南京大学学报（自然科学），1998，34（1）：126-128.

[4]王家文.Matlab7.6图形图像处理[M].北京：国防工业出版社，2009：110-287.

基金项目：福建省大学生创新性实验计划项目（NO：201108）。

作者简介：沈晓玲（1962―），女，福建龙岩人，实验师，研究方向：物理学。