塞曼效应的历史旅程

1、塞曼效应的历史旅程摘要：塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。荷兰物理学家塞曼在1896年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体使光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。塞曼效应是法拉第磁效致旋光效应之后发现的又一个磁光效应。这个现象的发现是对光的电磁理论的有力支持，证实了原子具有磁矩和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解，特别是由于及时得到洛仑兹的理论解释，更受到人们的重视，被誉为继X射线之后物理学最重要的发现之一。1902年，塞曼与洛仑兹因这一发现共同获得了诺贝尔物理学奖（以表彰他们研究磁场对光的效应所作的特殊贡献）。关键词

2、：塞曼效应 光谱分裂 磁场 塞曼效应（Zeeman effect）是原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象。塞曼效应是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的.他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂。随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成3条的原因。这种现象称为“塞曼效应”。进一步的研究发现，很多原子的光谱在磁场中的分裂情况非常复杂，称为反常塞曼效应。完整解释塞曼效应需要用到量子力学，电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取向是量子化的，磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。在外磁场中，总自旋为零的原子表现出正常塞曼效应，总自旋不为零的的原子表现出反常塞曼效应。塞曼效应是继1845年法拉第效应和1

3、875年克尔效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例。塞曼效应证法拉第实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场。<塞曼效应前后之论文或实验>1845年法拉第：將平面偏振光通过強磁场作用下的玻璃，发现光的偏振面发生旋转后来进一步确定这是许多物质具有的普通性质。1875年克尔电光效应：克尔发现玻璃片在強电场下對光有双折射的作用。1876年克尔磁光效应：平面偏振光垂直射在电磁铁的磨光电极上时，反射得到的光变为椭圆偏振光。1897年美国的曼克尔逊

4、：用他自己发明的干涉仪观察到光谱线在磁场中分裂为二重线。后来曼克尔逊又发明了分辨更高的阶梯光柵（在1899年），获得了更精细的结果。1898年英国人普列斯顿紧接着对塞曼效应做了深入的研究工作。他发表的论文中详细说明了各种磁滞分裂图像，并且指出洛伦兹理论不能完全解释塞曼效应。又进一步对一些元素的塞曼图像進行比较。而得出普列斯顿定律：同一类型的谱系，塞曼图像具有同样的特征。这条定律对光谱分析有重要意义，因为由此可以判定谱线的归属。1907年德国人龙格发表论文：龙格列举了大量数据，说明磁滞分裂之间存在某种共同的规律。1912年帕邢拜克效应：帕邢和拜克发现在极强磁场中，反常塞曼效应又表现为三重分裂。1

5、921年德国杜宝根大学教授朗德发表题为：论反常塞曼效益应的论文，他引进一因子g代表原子能级在磁场作用下的能量改变比值，这一因子只与能级的量子数有关。1925年乌伦贝克与哥德斯密特为了解释塞曼效应和复杂谱线提出了电子自旋的概念。1926年海森堡和约旦引进自旋s，从量子力学对反常塞曼效应作出了正确的计算。由此可见，反常塞曼效应的研究推动了量子理论的发展。<塞曼效应原理>磁矩在外磁场中受到的作用(1)     原子总磁矩在外磁场中受到力矩的作用其效果是磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量（PJ）绕磁场方向旋进。(2)   

6、;  磁矩在外磁场中的磁能由于或在磁场中的取向量子化，所以其在磁场方向分量也量子化： 原子受磁场作用而旋进引起的附加能量M为磁量子数g为朗道因子，表征原子总磁矩和总角动量的关系，g随耦合类型不同（LS耦合和jj耦合）有两种解法。在LS耦合下：其中：L为总轨道角动量量子数S为总自旋角动量量子数J为总角动量量子数M只能取J，J-1，J-2 -J（共2J+1）个值即E有(2J+1)个可能值。无外磁场时的一个能级，在外磁场作用下将分裂成（2J+1）个能级，其分裂的能级是等间隔的，且能级间隔<塞曼分裂谱线与原谱线关系> (1)     基本出

7、发点：分裂后谱线与原谱线频率差由于为方便起见，常表示为波数差定义称为洛仑兹单位   <塞曼分裂谱线的偏振特征>一、塞曼跃迁的选择定则为：M=0 时为成份（型偏振）是振动方向平行于磁场的线偏振光，只有在垂直于磁场方向才能观察到，平行于磁场方向观察不到；但当J=0时，M2=0到M1=0的跃迁被禁止。当M=±1时，为成份，型偏振垂直于磁场，观察时为振动垂直于磁场的线偏振光。平行于磁场观察时，其偏振性与磁场方向及观察方向都有关：沿磁场正向观察时（即磁场方向离开观察者：U），M= +1为右旋圆偏振光（+偏振），M= -1为左旋圆偏振光（-偏振）；也即，

8、磁场指向观察者时： M= +1为左旋圆偏振光，M= -1为右旋圆偏振光。二、分析的总思路和总原则：在辐射的过程中，原子和发出的光子作为整体的角动量是守恒的。原子在磁场方向角动量为在磁场指向观察者时：，当M= +1时，光子角动量为，与同向，电磁波电矢量绕逆时针方向转动，在光学上称为左旋圆偏振光。M= -1时，光子角动量为，与反向，电磁波电矢量绕顺时针方向转动，在光学上称为右旋圆偏振光。例：Hg 5461Å谱线，6S7S3S1 6S6P3P2能级跃迁产生 分裂后，相邻两谱线的波数差 <实验方法>一、观察塞曼分裂的方法塞曼分裂的波长差很小由于 要观

9、察如此小的波长差，用一般的棱镜摄谱仪是不可能的，需要用高分辨率的仪器，如法布里珀罗标准器（FP标准具）。FP标准具由平行放置的两块平面板组成的，在两板相对的平面上镀薄银膜和其他有较高反射系数的薄膜。两平行的镀银平面的间隔是由某些热膨胀系数很小的材料做成的环固定起来。若两平行的镀银平面的间隔不可以改变，则称该仪器为法布里珀罗干涉仪。标准具在空气中使用时，干涉方程（干涉极大值）为标准具有两个特征参量自由光谱范围和分辨本领。二、自由光谱范围的物理意义：表明在给定间隔圈原度为d的标准具中，若入射光的波长在+间（或波数在间）所产生的干涉圆环不重叠，若被研究的谱线波长差大于自由光谱范围，两套花纹之间就要发

10、生重叠或错级，给分析带来困难，因此在使用标准具时，应根据被研究对象的光谱波长范围来确定间隔圈的厚度。三、分辨本领：（）对于FP标准具N为精细度，两相邻干涉级间能够分辨的最大条纹数R为反射率，R一般在90%（当光近似于正入射时） 塞曼效应实验作为物理学上著名的实验，证实了原子具有磁矩和空间取向的量子化，可由实验结果测定塞曼分裂的波数差及电子的比荷。塞曼效应实验一般采用测微目镜测量不同级次干涉圆环的直径来计算波数差，以得到特定磁感应强度下光谱能级分裂宽度及其与磁感应强度的正比关系。但是这种传统的实验手段在测量精度方面有很大的局限性，比如受实验者主观因素的影响，测微目镜的叉丝很难精确地与干涉圆环重合，存在较大的人为误差。一方面为了更好地在实验中减小误差，另一方面为了在传统实验中引入现代化的测量手段，近年来各高校纷纷利用CCD图像采集技术改进传统实验，塞曼效应实验系统