塞曼效应实验报告

1、塞曼效应实验报告一、塞曼效应简介塞曼效应是指原子在外磁场中发光谱线发生分裂且偏振 的现象，也就是外加磁场会使原子产生更多不同频率的特征谱线的偏振光。历史 上首先观测到并给予理论解释的是谱线一分为三的现象，后来又发现了较三分裂 现象更为复杂的难以解释的情况，因此称前者为正常或简单塞理效应，后者为反 常或复杂塞曼效应。二、塞曼效应的机理分析1、光的本质光可以分为可见光与不可见光。实质上就是不同频率的变化电 场与磁场，但人类目前通常称其为电磁波。实际上这种称谓是存在不准确、不全 面的问题的：一方面，恒定电场与磁场也是光的一局部，但不宜称其为电磁波； 另一方面，电场与磁场在真空中并不能相互激励而形成所

2、谓的电磁波。否那么，地球上就不会有黑夜了，夜晚地面高空的太阳光应该相互激励产生向 各个方向传递的次生光并照亮地面才对。天空也不应该黑暗无光，而是会出现处 处发光的景象才对。因为任意空间位置上的任意时刻的电场和磁场都是在随时间 变化的，如果变化的电场和磁场能产生次生电场和磁场并形成电磁波的话，那么所 有空间位置上都应成为光源并向各个方向发光。但实际情况并非如此。这就证明变化的电场和磁场并不能相互激励并产生向各个方向传递的电磁 波。目前有许多直接证据证明：光的本质是由不同带电体（整体带电物体或单个 带电粒子或多种带电粒子组成的恒定或不恒定带电组合体，如原子等）在相对观 测者或测量装置出现不同运动状

3、态时产生的时变电场与/或磁场。也就是说：光既不是电磁波，也不是光（量）子，更不具有波粒二象性。光 只是电荷与电荷间存在的库仑力和磁力的表现形式之一：电场是电荷间存在的库 仑力的归一化、磁场是运动电荷间存在的磁力的归一化。2、物质发光的基本规律光的本质只是电荷产生的电场和磁场。因此，光源 的类型与电荷的分布与运动及变化方式直接相关。对光源的分类方法也很多，主 要可以按电荷的分布情况、电荷随时间变化规律等进行分类。按光源的组成方式分类可分为二种：单电荷光源，多电荷光源。目前 人类所遇到的几乎都是多电荷光源；按光源的发光方式分类可分有三种：一是自发光光源；二是被动发光 光源或称作强迫发光光源；三是复

4、合光源。自发光光源：物体产生的所谓黑体辐射或温度型电磁辐射就属于自 发光型。它遵循普朗克黑体辐射公式所描述的频率与辐射强度关系。即辐射强度 峰值所对应的频率由物体的温度决定；辐射频率为连续频率谱；辐射强度与频率 间的关系为类似的正态分布。详见下列图所示：强迫发光光源：当外电场和磁场迫使电荷改变运动状态，或外来光 照射到介质上时，电荷在外电场和磁场或入射光的作用下，其中的原子中的电子 和原子核会朝相反的方向改变运动状态，从而导致原子被极化为与入射光主频相 近的时变电偶极矩之电偶极子并产生所谓的反射、散射、折射、透射、衍射和绕 射等次生光。由于被入射光极化的原子的电偶极矩变化与入射光主频相近，其产

5、生的次生 光的主频也与入射光相近，但相位会相差半个周期。而入射光在此过程中会被次 生光所逐渐抵消而消失。因为次生光与入射光的相位相差半个周期，两者相互叠 加的结果将相互抵消一局部电场和磁场的强度。这也是反射光存在半波损失的根 本原因所在，也是所谓介质吸收光的机理：并不是真的是介质将入射光吸收了一 局部，而是介质产生的次生光将入射光抵消了一局部。混合发光光源：由于任何物体的温度均不可能为绝对零度，因此， 它们都会在不停地发光（温度较低时产生的光主要为不可见光，一般温度大于 500度时才能产生可见光）。当物体在外来光源照射环境下时，就会成为即自发 光，还产生次生光的复合光源。地球外表上的物质在太阳

6、光照射下都是这类复合 光源。只有当太阳下山后，天黑下来了，地面物体才成为了自发光物体了。3、光与磁场相互作用规律鉴于光就是时变的电场与/或磁场。因此，在真空 中，光与磁场间的相互作用规律只能是光产生的磁场与外加磁场遵循矢量叠加原 理，并不能相互影响与改变彼此。而在非真空中，光可以使介质中的原子发生极 化，磁场也可以使介质中的带电体（电子与原子核）改变运动速度与方向。总之， 在介质中，光也不可能与外加磁场直接发生相互作用并使次生光（无论是反射/ 散射.、折射/透射光）改变运动或偏振方向，特别是外加磁场为恒定磁场时。4、塞曼效应机理分析因为原子在外加恒定磁场的作用下，围绕原子核运动 的电子的运动轨

7、道面就会发生朝垂直于外加磁场方向平面靠近/远离的倾向，即 电子的运动轨道平面趋向于向外加恒定磁场的法向平面靠拢/远离的情形，从而 导致原子所产生的光或次生光的振动方向会相近而出现偏振现象了。而电子围绕原子核运动的方向有可能顺时针，也可能逆时针方向（不同运动 方向的电子之运动速度会存在些许差异），还有局部电子在原有的、平行于外磁 场方向平面内围绕原子核运动。位于不同轨道平面围绕原子核运动的电子的运动 速度会存在一定差异，也就导致围绕原子核的运动频率也出现些许差异。因此，原来一种轨道平面就会分裂为三种轨道平面：运动轨道平面不变的电 子、趋向/远离外加恒定磁场法向平面的顺时针与逆时针运动的电子。三种

8、不同 运动状态的电子所对应的原子核绕质心运动状态也会从一种变成三种不同状态, 从而导致当电子被剥离后原子核产生的原子特征光谱线从一条变成三条。当原子 核外部的电子数量较多时，离原子核距离不同轨道上及不同轨道平面上的电子受 到外加恒定磁场的影响就会存在差异（不同轨道及轨道平面上的电子在外加恒定 磁场作用下改变轨道平面的程度不同，其围绕原子核的运动频率自然也会不同， 原子核围绕质心运动的频率也就不同，其产生的特征谱线就会不同），从而导致 特征谱线可能出现更多的分裂现象。也就是原来的一条谱线，在外加磁场的作用下可能分裂成三条以上的谱线的 现象。如所示：当绿色的电子从右上向右下围绕原子核逆时针（红色箭

9、头所示） 运动（左侧在纸面以上，右侧在纸面以下）时，那么左侧受外加磁场产生的力（红 色箭头所示）向纸面左下方；右侧那么向纸面右上方。电子运动的轨道平面将向左 旋转；而电子围绕原子核的运动方向相反（黄色箭头所示）时，电子的受力方向 也相反（黄色箭头所示），电子运动的轨道平面将向右旋转。因此，当同一原子或不同原子中同时存在向不同方向运动的电子时，在同一 外加恒定磁场的作用下，电子的轨道平面会朝相反的方向偏转。从而导致原来的 一种电子运动轨道平面变成三种不同的轨道平面。另一方向，外加磁场施加在电 子上的磁力不仅会改变其运动轨道平面，同时会改变其I韦I绕原子核的运动速度 （沿电子运动方向的磁力分量会使

10、电子的运动速度发生变化），从而导致电子围 绕原子核的运动频率发生一定的变化。也就会导致特征谱线的频率随之发生细微 变化。同时，与外加磁场方向夹角不同的电子轨道平面上的电子所受到的磁力也会 存在一定的变化。因此，对于原子量（电子数量）较大的元素原子而言，由于处 于不同轨道平面内的电子受到外加磁场作用力的大小与方向的不同，轨道面的改 变程度也会不同，从而导致塞理效应复杂化。总之，塞曼效应是外加磁场改变了原子中电子运动轨道平面和围绕原子核的 运动频率，从而导致原子核围绕质心的运动频率不同，原子核在电子失去期间所 产生的光谱自然也会发生频率和偏振方向的变化。将电子围绕原子核运动产生的 磁场视为垂直于轨

11、道平面的磁偶极子，并在外加磁场的作用下磁偶极子的方向和 偶极矩将随之变化也可以解释塞曼效应。但并不能直观地描述电子在围绕原子核 运动一个周期期间内电子在不同位置上实际受到的外加磁场所产生的磁力的变 化情况，因为电子受到磁力的大小与方向不仅与外加恒定磁场的方向与大小有关, 还与电子自身的运动速度与运动方向有关。电子围绕原子核的运动速度虽然变化不大，但运动方向的不断变化也会导致 受到外加恒定磁场的磁力的大小与方向不断变化。三、塞曼效应的物理意义1、 塞曼效应证明：电子围绕原子核运动的轨道面和周期是相对稳定的，并非像量子 力学所描述的那样，电子是概率分布或云状分布于原子核周围的。否那么，就不会出现原子核失去电子期间由原子核产生固定频率的电磁辐射一 一原子特征线性谱线；3、塞曼效应证明：