原子物理-塞曼效应
塞曼效应(lmj3)
塞曼效应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。
塞曼效应是继法拉第磁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、分子结构有更多了解，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，塞曼与洛仑兹因发现塞曼效应而共同获得了诺贝尔物理学奖。
【实验目的】（1） 证实原子具有磁矩和空间取向量子化。
（2） 应用实验的方法，求洛仑兹单位值，并与理论值比较。
【实验仪器】电磁铁及电源 交直流高斯计 调压器 汞灯 法布里—珀罗标准具 小型摄谱仪测量显微镜 【实验原理】当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条谱线分裂成波长很靠近的几条偏振化的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同，这种现象称为塞曼效应。
塞曼效应实验是研究原子的光谱在磁场中受磁场影响而变化的实验。
根据原子所处的磁场强度不同谱线分裂的条数不同，塞曼效应由于历史的习惯可分为正常塞曼效应和反常赛曼效应。
通常一条谱线分裂条数为三条的效应叫正常塞曼效应(可以用经典理论加以解释)，多于三条的叫反常塞曼效应（只能用量子理论解释）。
反常塞曼效应通常发生在磁场很弱或者磁场很强的条件下。
塞曼效应是由于原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩共同受到磁场的作用而产生的，因此它进一步证实了原子具有磁矩和空间取向量子化。
通过本实验可以进一步认识原子的内部结构。
1. 原子的总磁矩塞曼效应是由于原子的内部磁矩受外磁场的作用而产生的，而原子中的电子又具有轨道运动和自旋运动，所以电子有轨道角动量P L 和自旋角动量P S ，有轨道磁矩μL 和自旋磁矩μS 。
在忽略核磁矩的情况下，P L 与P S 合成总角动量P J ，μL 与μS 合成总磁矩μ，见图(1)我们已知：轨道角动量 ⋅+=)1(L L P s图(1)自旋角动量 ⋅+=)1(S S P s轨道磁矩 L L P m e2=μ 自旋磁矩 S S P me2=μ 由于L L P μ 和μS/ P S 的值不同所以总磁矩μ不在总角动量L P 的延长线上，而是μ绕P J 的延长线旋进。
近代物理实验-塞曼效应实验
近代物理实验——塞曼效应实验一、实验简介如果把光源置于足够强的磁场中，则光源发出的大部分单色光都分裂为若干条偏振的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同。
这种现象被称为塞曼效应。
塞曼效应是1896年荷兰物理学家塞曼发现的，洛伦兹对此作出了令人满意的解释。
塞曼效应的发现及其解释对研究原子中电子的角动量和反应角动量耦合作用的朗德因子等原子结构的信息有重要的作用，因此，两人于1902年获得了诺贝尔物理学奖。
本实验将采用光栅摄谱仪的方法来研究这一现象。
二、实验目的1.观察塞曼效应；2.利用塞曼裂矩，计算电子的质核比e/m e；三、实验原理1.塞曼效应概念：将光源放到磁场中，观察到光谱线发生分裂。
原因是原子的能级发生了分裂，根据原子物理学知识，原子中的电子在磁场中的附加能量为：∆E=MgμB B其中g是朗德因子：g=1+J(j+1)−L(L+!)+S(S+1)2J(J+1)2.能级E1与E2之间的跃迁如果产生频率为γ的光，在磁场中上下能级都发生分裂，分裂后的谱线与原谱线的频率差为：∆γ=(m2g2−M1g1)μB B/ℎ其中μB是玻尔磁子：μB=eℎ4πm 得：∆γ=（m2g2−M1g1）eℎ4πmB用波数差表示为：∆σ=（m2g2−M1g1）e4πmcB导出电子的荷质比为：em =()22114cm g m gπσ∆-(em理论值是1.76*1011C/kg）3．观察塞曼效应的方法：F-P标准具光路图，标准具由两块平板玻璃构成，形成干涉极大的条件是：2ndcosθ=kλ（一组同心圆）由于tanθ=D2⁄f，在θ很小时：θ=sinθ=tanθ所以cosθ=1−2sin2θ2=1−12tan2θ=1−D28f2最后推导出波数差： ∆σ=12d （D b2−Da2D k−12−Dk2）含义：Dk与Dk-1是分裂前相邻两个圆环的直径，Db与Da是分裂后同一级次两个圆环的直径（注意计算中∆σ的单位是cm-1）磁感应强度：B=1.2T四、实验仪器摄谱仪、Fe弧光源、Hg放电管五、实验内容1.摄谱和反射镜Bs在摄（1）调整外光路，使得汞放电管发出的光辐射经透镜L1谱仪入射狭缝上成像。
塞曼效应
图1-3-5 塞曼效应实验装置图 汞灯光由会聚透镜成平行光，经滤光片后5461 A0光入射到F-P标准 具上，由偏振片鉴别π成份和σ成份，再经成像透镜将干涉图样成像在 测量望远镜（或CCD光敏面、摄谱仪底板）上。观察塞曼效应纵效应 时，可将电磁铁极中的芯子抽出，磁极转900，光从磁极中心通过。将 1/4波片置于偏振片前方，转动偏振片可以观测σ成份的左旋和右旋圆 偏振光。
光谱线的间线(上下能级自旋量子数S＝0即单重态间的跃迁)在磁场 作用下，把原波数为
的一条谱线分裂成波数为
,
，
的三条谱线，中间的一条为π成份，分裂的二条为σ成份，谱线间隔为 一个洛仑兹单位。对于双重态以上的谱线将分裂成更多条谱线。前者称 为正常塞曼效应，后者称为反常塞曼效应。 例：钠589nm 谱线的塞曼效应 钠589nm谱线是
一、原理
1、 电子自旋和轨道运动使原子具有一定的磁矩。在外磁场中，原子磁 矩与磁场相互作用，使原子系统附加了磁作用能ΔE。又由于电子 轨道和自旋的空间量子化。这种磁相互作用能只能取有限个分立的 值，此时原子系统的总能量为：
（1-3-1） 式中E0为未加磁场时的能量，M为磁量子数，B为外加磁场的磁感应 强度，e为电子电量，m为电子质量，h为普朗克常数，g为朗德因子。 朗德因子的值与原子能级的总角动量J、自旋量子数S和轨道量子 数L有关，在L－S耦合情况下:
磁场中的原子——塞曼效应
干成 分
,
这 种 现 象 叫做 塞 曼 效 应
。
。
塞 曼 效应 在 研 究 原 子 结 构 中非 常有 川 效 应的 理论 也 在不 断 发 展 在 塞 曼效 应 刚 发 现 时 为 双重 ( 纵 向
以 被解 释
“
”
,
。
同时 随 着 实验 技 术的 进 步 和 理 论 卜 的 完善
,
,
塞曼
,
由 于 相对 论量 子 力学 尚未 形 成
)
、J
甲
一
0
( 2 一 6 )
有心 对称 场 的 波 函 数满 足 此 方程
甲
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式并 注 意到
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自旋 尚未发 现
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,
只 有 光 谱线 分 裂
`
,
即 观 察 方 向乎 行 于 磁 场 ) 和 三 重 ( 横 向
,
即 观 察方 向 垂 直 于磁 场 ) 的现 象 可
因 此 称之 为 正 常塞 曼效 应
“
而 其余 则 称 之 为 反 常塞 曼效 应
实验三塞曼效应实验
实验三塞曼效应实验塞曼效应实验是一种经典的物理学实验，它涉及到对原子和原子光谱的研究。
这个实验的目标是验证塞曼效应的存在，以及测量塞曼分裂的大小。
塞曼效应是指原子在磁场中分裂其光谱线的现象，它为研究原子结构和磁学提供了重要的基础。
一、实验目的本实验的目的是通过塞曼效应观察和测量光谱线的分裂，以加深对原子结构和磁学性质的理解。
二、实验原理塞曼效应是荷兰物理学家塞曼在1896年发现的。
他在研究原子光谱时发现，原子光谱线在磁场中会发生分裂。
这是因为在磁场中，原子中的电子自旋和轨道运动会产生磁偶极矩，从而与磁场相互作用，导致能级分裂。
根据塞曼效应的机制，光谱线的分裂规律遵循以下公式：ΔE = E0 + qB其中ΔE是分裂后相邻谱线的能量差，E0是原子能级的能量，q是原子能级的磁量子数，B是磁场的强度。
通过测量光谱线的分裂和已知的实验参数，可以计算出原子的磁量子数q，从而了解原子的结构。
此外，通过测量分裂谱线的相对强度，还可以推导出原子的磁矩。
三、实验步骤1.准备实验器材：光源（如钠灯）、磁场装置（如电磁铁）、望远镜、光电效应装置、稳压电源等。
2.安装实验器材：将光源、磁场装置和望远镜组装在一起，保证光源发出的光线经过磁场装置后能够投影到望远镜上。
3.调节磁场强度：通过稳压电源调节磁场装置的电流，改变磁场强度B。
4.观察光谱线分裂：在望远镜中观察光谱线的分裂情况。
随着磁场强度的改变，光谱线会分裂成多个线条。
5.测量分裂谱线的相对强度：使用光电效应装置测量分裂谱线的相对强度。
这可以通过测量不同谱线被光电效应装置吸收的程度来实现。
6.记录实验数据：将测量到的光谱线分裂情况和相对强度记录在实验记录表中。
7.数据处理与分析：根据实验数据计算出原子的磁量子数q和磁矩等参数，并对这些参数进行分析。
四、实验结果与讨论通过本实验，我们观察到了明显的塞曼效应，并测量了光谱线的分裂情况。
实验结果显示，随着磁场强度的增加，光谱线分裂程度逐渐增大。
塞曼效应原理
塞曼效应原理
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曼效应，后者为反常或复杂塞曼效应。
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。
实验报告塞曼效应
一、实验目的1. 观察塞曼效应，了解其在原子物理中的重要性。
2. 通过实验，加深对原子磁矩和能级结构的理解。
3. 掌握光栅摄谱仪的使用方法，以及如何通过摄谱法观测谱线的分裂情况。
二、实验原理塞曼效应是指在外加磁场的作用下，原子发射或吸收的光谱线发生分裂的现象。
根据能级分裂的条数和偏振状态，可以推断出原子的能级结构。
当原子置于外磁场中时，其总磁矩与外磁场相互作用，使得原子能级发生分裂。
分裂的条数与能级的类别有关，分裂的能级间隔与外磁场的强度成正比。
实验中，我们采用光栅摄谱仪观测汞原子（546.1nm）谱线的分裂情况，并通过计算能级间隔，验证塞曼效应的存在。
三、实验仪器与设备1. 光栅摄谱仪2. 阿贝比长仪3. 汞灯4. 电磁铁装置5. 聚光透镜6. 偏振片7. 546nm滤光片8. Fabry-Perot标准具9. 成像物镜与测微目镜组合而成的测量望远镜四、实验步骤1. 将汞灯安装在电磁铁装置上，调节磁场强度，使磁场平行于汞灯发出的光束。
2. 使用聚光透镜将汞灯发出的光变为平行光束，通过偏振片过滤掉未偏振的光。
3. 将平行光束照射到Fabry-Perot标准具上，使其发生多光束干涉，形成干涉条纹。
4. 通过调节标准具间距，使干涉条纹清晰可见。
5. 将光栅摄谱仪放置在测量望远镜的物镜前方，调节望远镜的位置，使光谱线聚焦在光栅上。
6. 观察并记录汞原子（546.1nm）谱线的分裂情况，包括分裂的条数和偏振状态。
7. 通过计算能级间隔，验证塞曼效应的存在。
五、实验结果与分析1. 实验观察到了汞原子（546.1nm）谱线的分裂现象，分裂的条数为3条，符合塞曼效应的理论预测。
2. 通过计算能级间隔，验证了塞曼效应的存在。
计算结果与理论值基本吻合。
六、实验总结通过本次实验，我们成功地观察到了塞曼效应，并验证了其理论预测。
实验过程中，我们掌握了光栅摄谱仪的使用方法，以及如何通过摄谱法观测谱线的分裂情况。
此外，我们还加深了对原子磁矩和能级结构的理解。
塞曼效应
塞曼效应（英语：Zeeman effect），在原子物理学和化学中的光谱分析里是指原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象，是1896年由荷兰物理学家彼得·塞曼译注发现的[1]，随后荷兰物理学家亨德里克·洛伦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（anomalous Zeeman effect）译注。
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1875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。
塞曼效应也在核磁共振频谱学、电子自旋共振频谱学、磁振造影以及穆斯堡尔谱学方面有重要的应用。
塞曼效应的历史塞曼效应的发现者——荷兰物理学家塞曼。
1896年，荷兰物理学家塞曼使用半径10英尺的凹形罗兰光栅观察磁场中的钠火焰的光谱，他发现钠的D谱线似乎出现了加宽的现象。
这种加宽现象实际是谱线发生了分裂。
随后不久，塞曼的老师、荷兰物理学家洛伦兹应用经典电磁理论对这种现象进行了解释。
他认为，由于电子存在轨道磁矩，并且磁矩方向在空间的取向是量子化的，因此在磁场作用下能级发生分裂，谱线分裂成间隔相等的3条谱线。
塞曼和洛伦兹因为这一发现共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。
1897年12月，普雷斯顿（T.Preston）报告称，在很多实验中观察到光谱线有时并非分裂成3条，间隔也不尽相同，人们把这种现象叫做为反常塞曼效应，将塞曼原来发现的现象叫做正常塞曼效应。
塞曼效应
塞曼效应
塞曼效应（Zeeman effect），在原子、分子物理学和化学中的光谱分析里是指原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象。
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。
反常塞曼效应和正常的塞曼效应区别：
原子核会产生电场，电子在其中运动的时候，由狭义相对论，这个运动的电子会受到一个磁场的作用，这个磁场正比于电子的轨道角动量，从而自旋和轨道磁矩合成一个总的磁矩。
电子的自旋和轨道的磁矩都是分立的，因此自旋-轨道耦合也是分立的。
此时总磁矩是绕着总角动量在做进动，总角动量绕外磁场做进动。
当外磁场较弱时，自旋-轨道耦合没有被破坏。
正常与反常的区别在于正常塞曼效应中总自旋为零，于是就没那么多劈裂的能级。
外磁场比较强的时候，不是正常或反常塞曼效应，而是Paschen-Back效应。
自旋-轨道耦合被破坏，而显现出仍然是三条谱线的看起来像正常塞曼效应的实验现象。
但是这时候的原理和正常塞曼效应的原理并不一样。
正常和反常塞曼效应都是在磁场比较弱的情况下的，而这时候则是自旋-轨道角动量不再耦合。
塞曼效应
原子在外磁场中发光谱线发生分裂且偏振的现象称为塞曼效应;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曼效应,后者为反常或复杂塞曼效应。
基本信息中文名称：塞曼效应外文名称：Zeeman effect解释：原子的光谱线在外磁场中出现分裂发现者：荷兰物理学家塞曼发现时间：1896年奖项：诺贝尔物理学奖原理简介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)。
详细内容塞曼效应，英文:Zeeman effect,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1875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。
塞曼效应实验报告
塞曼效应实验报告一、实验介绍塞曼效应（The Zeeman Effect）是指在磁场中，原本具有简并的能态（即能量相同但量子数不同的态）被分裂成多个能量不同的态的现象。
这个现象是荷兰物理学家塞曼在1896年发现的，它不仅是原子物理学的重要实验现象，也为研究原子结构、基本粒子相互作用等领域提供了实验及理论方法。
本实验通过自行制作一个塞曼效应装置和使用精密光谱仪测量氢原子的光谱移动来探究塞曼效应。
二、实验装置实验装置主要包括：单色光源、狭缝、准直器、光栅、分束器、氢放电管、塞曼效应装置以及测量仪器等。
其中，主要测量仪器包括CCD探测器、数字多道分析器（MCA）等。
三、实验过程1. 制作实验装置：在强磁场中通过光谱法测量氢原子谱线的位移。
通过一个氢放电管，使得放电管中水银的激发能量被红外线激起，氢原子被激发成原子核+电子状态。
2. 预备工作：首先通过单色光源照向狭缝，然后通过准直器和光栅将光分为从三个单色光防止器出射的三道谱线。
将分束器放置在特定位置从而选择需要的波长（颜色）输出到CCD。
3. 实验记录：在强磁场下分别测量氢原子的三条谱线的移动情况，记录下移动的波长和强度。
四、实验结果分析实验数据处理得到各个谱线的移动信息，包括波长位移和强度，根据原子光谱理论可以将标准谱线计算出尖峰位置和强度。
通过与预测的尖峰位置进行比较，验证了中心谱线移动最大，两旁的谱线移动稍微变小的规律。
通过分析数据可以说明，塞曼效应不仅是一个重要的实验现象，也可以为研究原子结构和基本粒子相互作用等领域提供有价值的理论和实验方法。
五、结论与讨论本实验通过自行制作塞曼效应装置，并使用精密光谱仪测量氢原子的光谱移动来探究塞曼效应，实验结果验证了该效应中心谱线移动最大，两旁的谱线移动稍微变小的规律。
该实验丰富了我们对于原子结构和基本粒子相互作用等领域的认识，也为一些重要的领域提供了有价值的理论和实验方法。
在未来的学习中，我们应该继续深入探究各种物理学现象，并在实验中注重实践能力的提高，为未来的科学研究打好基础。
4.5 塞曼效应
J
e 2m
Lcos(L, J )
e m
S cos(S, J )
（1）
S 2 J 2 L2 2JLcos(L, J ) L2 J 2 S 2 2JS cos(S, J )
J 2 L2 S 2 Lcos(L, J )
2J J 2 S 2 L2 S cos(S, J )
分析步骤：
第一：求出原子的总磁矩，特别是它的有效部分； 第二：求出原子磁矩与外磁场相互作用使原子附加的能量； 第三：求出因附加能量导致原子有能级分裂，以及新能级之 间符合选择定则的跃迁使原有谱线分裂，从而解释塞曼效应。
二、原子的总磁矩和有效磁矩
原子的核外电子具有轨道磁矩和自旋磁矩。
轨道磁矩：
l
e 2m
L, 其中L
Li
自旋磁矩：
s
e m
S , 其中S
Si
1、原子总磁矩：
μ=
μl
+ μs
=
-
e 2m
(2S
+
L)
由上可见，总磁矩的大小 不是正比于 J L S
的值，总磁矩的方向也不是与 总角动量反向，即总磁矩并不 在总角动量的延长线上。如图， 轨道角动量和自旋角动量分别 绕总角动量旋进，所以总磁矩 也绕总角动量旋进。把总角动 量分解成两个分量，一个沿着 J的延长线，称为 μJ（有效磁 矩），另一个与J垂直，称为 μ⊥。
4.5 塞曼效应
一、塞曼效应 二、原子的总磁矩和有效磁矩 三、塞曼效应的解释
小结
一、塞曼效应
1、塞曼效应的概念 把原子放入磁场中，其光谱线发生分裂，原 来的一条谱线分裂成几条的现象，被称为塞曼 效应。
经典力学解释塞曼效应
经典力学解释塞曼效应
塞曼效应是原子、分子或固体中的磁性物质在外磁场作用下出现的谱线分裂现象。
经典力学可以在一定程度上解释塞曼效应。
根据经典电动力学，电子在外磁场中会受到洛伦兹力的作用，在原子、分子或固体中运动的电子也不例外。
这个洛伦兹力会使得电子的运动轨迹发生改变，从而导致塞曼效应的出现。
具体来说，外磁场的存在会对电子的运动轨迹施加一个侧向的力。
这个力会使得电子的运动路径发生偏转，并且在几个可能的路径中选择其中一条。
根据经典力学，这些选择的路径对应于不同的能量值，因此会导致能级的分裂。
此外，经典力学还可以解释为什么磁场的强度会影响塞曼效应。
根据经典力学，磁场越强，电子偏转轨迹的半径也会越大，进而导致能级分裂的差异变大。
然而，需要注意的是，经典力学对于解释塞曼效应并不完全准确。
实际上，塞曼效应的解释需要借助于量子力学的理论，才能更加准确地描述电子在外磁场中的行为。
量子力学能够解释电子在不同能级之间跃迁的概率和选择性，从而更好地解释了塞曼效应的实验观测结果。
因此，尽管经典力学在一定程度上可以解释塞曼效应，但量子力学才是更为准确和完备的理论。
揭示原子能级跃迁的塞曼效应研究实验
揭示原子能级跃迁的塞曼效应研究实验标题：揭示原子能级跃迁的塞曼效应研究实验引言：塞曼效应是研究原子能级跃迁中的一种重要现象，通过实验证明了原子的内部结构及能级的存在与跃迁。
本文将详细解读塞曼效应的相关定律、实验准备、实验过程，并探讨其在物理学和其他专业领域中的应用。
一、塞曼效应的相关定律1. 定律一：磁场引起的能级分裂根据电子在磁场中运动的性质，原子能级将分裂成若干子能级，这种由磁场引起的分裂现象称为塞曼效应。
根据洛伦兹力和电子自旋的相互作用，能级的分裂数量与磁场的强度成正比。
2. 定律二：能级分裂的能量差分裂出的子能级之间的能量差与磁场的强度成正比，即 E = gμBm，其中g为朗德因子，μB为玻尔磁子，m为磁量子数。
3. 定律三：跃迁谱线的分裂原子在能级跃迁时，由于能级的分裂，原本单一的谱线将分裂成多个独立的谱线，谱线的数目等于子能级的个数。
二、实验准备1. 实验仪器：实验过程中需要使用一个强磁场，可以选用永磁体或超导体磁铁；一个光源，通常使用气体放电灯或激光器；一个狭缝和光栅，用于选择和分辨谱线；一个光电倍增管或光电二极管，用于检测谱线。
2. 样品准备：选择具有塞曼效应的物质，如氢、碱金属等。
对于氢原子，需要用气体放电灯或激光器产生特定波长的光。
三、实验过程1. 准备实验装置：将磁体放置在光源的两侧，保证光线垂直于磁场方向。
设置光源、狭缝、光栅和光电倍增管的位置，使得光线可以直接通过狭缝和光栅，并最终被光电倍增管接收。
2. 调节实验参数：调节磁场的强度，通过调节磁铁位置或电流控制永磁体或超导体磁铁的磁场强度。
同时，通过调节狭缝和光栅的位置，选取特定的谱线。
3. 进行实验观测：开启光源，将光线通过狭缝和光栅，使其通过样品。
观察光电倍增管的输出信号，记录每个子能级对应的谱线。
根据测量数据，计算各子能级的能级差和塞曼效应的相关参数。
四、实验应用1. 原子物理研究：通过对塞曼效应的研究，可以揭示原子的内部结构和能级跃迁的规律。
原子物理课件 第5节 塞曼效应
波数为：
~1' ~1
5 3
,
1,
1, 3
1, 3
~2
'
~2
4 3
,
2, 2, 33
1, 5 ,L 3
4 ,L 3
洛仑兹单位： L e B 46.7B m1 4 mc 11
三、塞曼效应的偏振特性
设电磁波沿 z 轴传播，电矢量必在 xy 平面（横波特性）
M1g1
1
-1
M 2 g2 M1g1 -5/3 -3/3 -1/3 1/3 3/3 5/3
( 1 ) ( 5 , 3 , 1 , 1 , 3 , 5)L
3 3 33339Fra bibliotek2S1/2 2P1/2 2P3/2
LS J M
g Mg
0 1/2 1/2 ±1/2 2 ± 1
1 1/2 1/2 ±1/2 2/3 ±1/3
2S1/2
LS J M
g Mg
2S1/2 0 1/2 1/2 ±1/2
2
±1
2P1/2 1 1/2 1/2 ±1/2 2/3 ±1/3
2P3/2 1 1/2 3/2 ±1/2±3/2 4/3 ±2/3 ±6/3
在外磁场中2P3/2分裂为四个塞曼能级， 间距为4 μBB /3；
2P1/2分裂为二，间距为 2μBBo/3 ； 2S1/2分裂为二，间距为 2μBBo
－右旋偏振
+左旋偏振
光传播方向
光传播方向
J 光的角动量方向
J 光的角动量方向 12
－右旋偏振
+左旋偏振
光传播方向
光传播方向
J 光的角动量方向
J 光的角动量方向
第六章 磁场中的原子 塞曼效应
当沿磁场方向观察时,中间的 成分看不到,
A N
S E
E
*
SP
B
E
E
B
锌的单线
正常三重线 锌的正常塞曼效应
2.反常塞曼效应
双重或多重结构的原子光谱,在较弱的 磁场中,每一条谱线分裂成许多条分线。
钠主线系的双线
无磁场
加磁场
图 6.3.7 面对磁场观察到的 σ±
谱线
对于这两条谱线，电矢量在xy平面，因此，在与磁场B垂直的方
向( 例如x 方向 )观察时，只能见到 Ey 分量( 横波特性) ，我们观察 到二条与 B 垂直的线偏振光 σ± 。对于 ΔM=M2-M1=0 的情况，原子 在磁场方向 (z 方向 ) 的角动量不变，光子必定具有在与磁场垂直 方向(设为 x方向 ) 的角动量，光的传播方向与磁场方向垂直，与 光相应的电矢量必定在yz平面内，它可以有Ey和Ez分量。但是， 凡角动量方向在 xy 平面上的所有光子都满足 ΔM=0 的条件，因此 ，平均的效果将使 Ey 分量为零。于是，在沿磁场方向 (z) 上既观 察不到 Ey 分量，也不会有 Ez 分量 ( 横波特性 ) ，因此就观测不到 ΔM=0相应的π偏振谱线。
而
由于自旋－轨道耦合被破坏，在强磁场中原子能 级应表为：
Enl ml ms Enl Eml ms (EM )
即在强磁场中的附加能量 Eml ms (EM ) 的值由 ML和MS的组合决定,L一定时ML有（2L+1）个可 能值，MS有（2S+1）个可能值，组合结果使附加 能量有若干个可能值，因此磁场中每一个能级将 分裂为若干个子能级，在这些子能级间的跃迁要 符合选择定则：
6.5塞曼效应
§.5塞曼效应当原子处于外磁场中时，由于原子磁矩J和外加磁场B的相互作用，原子的能级分裂为2j 1层，因此谱线也将分裂，这就是塞曼效应。
、塞曼效应的观察1896年，荷兰物理学家塞曼发现：若把光源放在磁场中，则所发光谱的谱线会分裂成几条，而且分裂后的每条谱线的光都是偏振的，这种现象称为塞曼效应。
的允的槿拮「看麋一華统馆暫)t：餐与E平Tr(r):两長〒a JF CF无確场在垂頁于占方閒观察XB WR丄呂无磴场<7 JT tr沿丑方由观察E指向观嫩宕Q0在垂言m磕场方向观察5 896V5 890min<y o n n o a 阍6.9 Cd643S埃谱线的塞曼效应阳6.10冋5 896埃和5 890埃谱缕的糜燧效阮二、塞曼效应的理论解释1 •谱线的分裂具有磁矩为j （主要是体系中的电子的贡献）的体系在外磁场 B （方向沿z轴）中的势能为：E B z B Mg B B式中g为朗德因子，在z方向的投影z mg B。
（为简便起见，M均略去下标J）考虑一个原子在E2 Ei间的跃迁。
无外磁场时，h E2 E,有外磁场时，则两个能级各附加能量E,、 E2，使能级发生分裂，h E2 E, （E2 E2）（E, E,）h （M2g2 M,g,）B BBe（M2g2 M i g i）-4 m即裂开后的谱线与原谱线频率之差，也可以用波数改变的形式表示：1 1 Be（M 2g2 M 1g1）_4 me塞曼效应跃迁也有选择定则：只有以下情况的跃迁发生：{M 0 产生线（当 J =（W,M20 M10除外）M 1 产生线1 1 B e（1）当原子的总自旋s 0时，j 1， g2 g1〔，贝U: —7 —（M 2M1）4 me依选择规则得：Be4 meBe4 me以上结果表明，在外磁场中的一条谱线（）将分为等间隔的三条，间隔值为虽。
这4 me 与实际观察所得结果相符。
故称为正常塞曼效应。
L令L 上亠，贝U 04 meL从以上的推导知此问题无量子效应，洛伦兹就用经典方法算出正常塞曼效应的结果。
塞曼效应+指导书
塞曼效应1896年，塞曼（Peter Zeeman 荷兰物理学家）发现，把光源置于足够强的磁场中，光源发出的每条谱线分裂成若干条偏振化谱线，分裂的条数随能级类别不同而不同，这种现象称为塞曼效应。
塞曼效应是继法拉第效应和克尔效应之后发现的第三个磁光效应。
是物理学的重要发现之一。
塞曼效应证实了原子具有磁矩，而且其空间取向是量子化的。
在磁场中，原子磁矩受到磁场作用，使原子在原来能级上获得一附加能量。
由于原子磁矩在磁场中的不同取向而获得的不同附加能量，使得原来一个能级分裂成能量不同的几个子能级。
同样，由光源发出的一条谱线也会分裂成若干成份。
由汞光源发出的546.1nm光谱线在外磁场作用下产生跃迁，如图1所示，而原子发光必须遵从或的跃迁定则（表示光谱线由于能级跃迁而产生的磁量子数的差值），而且选择定则与光的偏振有关，光的偏振状态又与观察角度有关。
垂直于磁场时为线偏振光，而平行于磁场时则是圆偏振光。
由图1可以看到，由于选择定则的限制，只允许9种跃迁存在，从横向角度观察，原546.1nm光谱线分裂成9条彼此靠近的光谱线，如图2所示，其中包括3条分量线（中心3条）和6条分量线。
这些条纹相互迭合而使的观察困难。
由于这两种成份偏振光的偏振方向是正交的，因此我们可以利用偏振片将分量的6条条纹滤去，只让分量条纹留下来，由于相邻谱线之间的间距非常小，所以采用2mm间隔的法布里－珀罗标准具来准确的分析谱线的精细结构。
实验仪采用干涉滤光片把笔形汞灯中的546.1nm光谱线选出，在磁场中进行分裂，后面用读数显微镜观察并测量分裂圆的直径，然后计算出电子荷质比。
也可以选配CCD摄像装置，并通过图象采集送入电脑，应用塞曼效应实验分析软件进行数据处理。
实验内容1．研究汞光谱的塞曼分裂现象，计算汞光谱的塞曼分裂裂距以及电子的荷质比，证实原子具有磁矩与空间取向量子化，进一步理解光的电磁理论；2．了解调节光学元件接近严格平行的方法，理解法布里—珀罗标准具的干涉原理并掌握其调整方法。
赛曼效应讲解.pptx
Dk, 2
4
f
2
d
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Dk
k 1 k
代入：k 2d /
k,a
k,b
2 (D2 k,a D2 k,b )
2d (D2(k1), D2 k, )
~
1(
D2 k ,b
D2 k ,a
)
2d
D2 (k 1),
D
2 k ,
参考参数：汞 546.1nm
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2. F—P标准具测量测电子荷质比(不做）
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正常赛曼效应的产生是由于原子电子的轨道磁矩与 磁场作用的结果。而反常赛曼效应则是原子的电子总 磁矩（轨道磁矩加自旋磁矩）和磁场相互作用的结果， 在磁场较弱时，原子的轨道磁矩与自旋磁矩首先耦合 后再和外磁场作用，产生所谓的一般的反常塞曼效应； 如果磁场极强时，则原子的轨道磁矩与自旋磁矩分别 和磁场相互作用，从而产生所谓的帕刑－巴克效应。
原子由于磁矩的存在，在磁场中就会受到
磁场的力矩作用，原子的总磁矩在外磁场中 受到的力矩为：
J
M j B
8
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力矩使原子的总磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量 绕磁场方向旋进,旋进会引起原子能级的附加能量为：
E
j
B
j B cos
g
e 2m
BPj
cos
其中， B eh为/ 4玻 m尔磁子。由于原子总角动量在磁场中
3
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实验原理及设计
赛曼效应实验是研究原子的光谱在磁场中受磁场影响而变 化的实验。根据原子所处的磁场强度不同谱线分裂的条数 不同，赛曼效应由于历史的习惯可分为正常赛曼效应和反 常赛曼效应。通常一条谱线分裂条数为三条的效应叫正常 赛曼效应(可以用经典理论加以解释)，多于三条的叫反常 赛曼效应（只能用量子理论解释）。反常赛曼效应通常发 生在磁场很弱或者磁场很强的条件下。
简单塞曼效应
简单塞曼效应
塞曼效应，又称作塞曼分裂，是物理学中的一个重要现象。
当原子或分子受到外界磁场的作用时，它们的能级会发生分裂，从而产生出一系列不同能量的谱线。
这一现象的发现者是瑞士物理学家塞曼，他通过实验观察到了光谱线的分裂现象，并成功解释了这一现象的原因。
在实验中，塞曼将一个光源放入一个强磁场中，然后通过光学仪器观察光源发出的光谱。
他发现，在磁场的作用下，原本单一的光谱线会分裂成多条谱线。
这些谱线的数量和排列方式与磁场的强弱、方向以及原子的性质有关。
塞曼效应的解释是基于原子内部的电子运动。
在外部磁场的作用下，电子的运动轨迹会发生变化，从而导致原子能级的分裂。
这种分裂是由于磁场引起的磁力对电子的作用，使电子在能级上发生分布不均匀的现象。
塞曼效应的发现对于物理学的发展具有重要意义。
它不仅验证了磁场对原子的影响，也为后来的量子力学理论提供了重要的实验依据。
通过对塞曼效应的研究，科学家们更深入地理解了原子的结构和性质，为原子物理学的发展奠定了基础。
除了在科学研究中的应用，塞曼效应也在其他领域产生了广泛的应用。
例如，在医学影像学中，利用塞曼效应可以通过核磁共振成像
技术来观察人体内部的结构与变化。
在材料科学中，塞曼效应也被用于研究材料的磁性和电子结构等特性。
塞曼效应是一项重要的物理现象，它揭示了原子在磁场作用下的行为规律，并为科学家们提供了更深入地研究原子和材料性质的途径。
通过进一步的研究和应用，相信塞曼效应将为人类的科技进步和生活带来更多的惊喜和发展。
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角动量在磁场中取向是量子化的，如（6）
式所示，这样附加能量又可表示为（7）式
E J B cos g e p J B cos (5) 2m
(6)
p J cos M ,
M J , J 1,, J
e E Mg B 2m
(7)
附加能量不仅与外磁场B有关，还与朗德因子g有关。
(3)计算电子荷质比 本实验测量方法和数据处理均由智能软件处理, 见WPZ-Ⅲ型塞曼效应仪使用手册。
【实验数据与处理】
(1)已知:
e 1.77 10 11 e / k g me 标准值
（２） （３） （４）
特斯拉计测得 B= T 打印出实验数据及结果 计算电子荷质比实验值与标准值的百分误差.
塞曼效应
【实验目的】
1、学习Febry —Perot标准具的原理和调节。 2、观察波长为5641埃的Hg光谱线在磁场中的分 裂情况。 3、利用塞曼效应测量电子的荷质比。
【实验原理】
1.塞曼效应
塞曼效应的产生是原子磁距与外加磁场作用的结果。
根据原子物理理论，原子中的电子既作轨道运动又作自旋 运动。原子的总轨道磁距p L与总轨道角动量 L 的关系 为：
J称为原子的有效磁矩大小由下式决定
e J g PJ , 2m
p J J ( J 1)
(3)
(4)
对于LS耦合有
g 1 J ( J 1) L( L 1) S ( S 1) 2 J ( J 1)
在外磁场的作用下, 原子总角动量PJ和磁 距 J 绕磁场方向进动， 原子在磁场中的附加 能量E如（5）式。
2 2 c v ( M 2 g 2 M 1 g1 ) B c 4me c
本实验汞5461Å光谱线的塞曼分裂,该谱线是能级 6s7s3S1到6s6p3P2之间的跃迁. 上能级分裂为三个子能 级，下能级分裂为五个能级，选择定则允许的跃迁 共有九种。因此，原来的 谱线将分裂成九条谱线。 分裂后的九条谱线是等距的，间距都为二分之一的 洛仑兹单位，九条谱线的光谱范围为4个洛仑兹单位。 各线段的长度表示谱线的相对强度。
（２）在外磁场作用下使5461Å谱线分裂为 ９条如图4(b)，同样看到９条干涉环，这些 干涉环相互迭合不易测量，为此，可用偏振 片将 成份６条干涉环滤去，只让 成份的３条留下，如图４(c)。
2 2 D D e 2c 1 k k 2 me dB M 2 g 2 M 1 g1 Dk 1 Dk2
*调整标准具
F—P标准具调整：根据2dcosφ＝kλ，对于某一 波长同一干涉级k，如果在某一方向上标准具的 间距d大，则这个方向上干涉环直径也大。所以 可以直接观察标准具的干涉环进行调整，当眼 睛向某一个调整螺丝方向移动时，若花纹从中 间冒出或向外扩大，说明此方向标准具间隔大， 应将该方向的螺丝旋紧或放松其他两个螺丝， 直到眼睛向各个方面移动时，干涉环的大小不 变为止，此时F—P标准具的两玻璃板严格平行。 调整L位置，可使亮环最亮。
谢谢！
磁量子数M共有2J+1个值，因此原子在外磁场中时
原来的一个能级将分裂成 2J+1个子能级。 未加磁场
时，能级E2和E1之间跃迁产生的光谱线频率为
hv E2 E1
在磁场中，分裂后谱线频率为ˊ分裂后的谱线与原
谱线的频率差 为
1 eB v v v (E2 E1 ) (M 2 g 2 M 1 g1 ) h 4m
2dn cos k
（亮条纹）
不同波长，不同倾角形成不同干涉环：
D Dk ( 2 ) 2d Dk 1 D
2
2
2 k 2 k
Dk 1 , Dk 波长为的k及k-1级干涉环直径 波长为 的k级干涉环直径 Dk
2 eB 对于塞曼分裂有： 4m c ( M 2 g 2 M 1 g1 ) e
可得荷质比的测量值表示式
2 2 Dk Dk e 2c 1 2 2 me dB M 2 g 2 M 1 g1 Dk 1 Dk
三、实验装置
四、实验内容与方法
（１）Ｆ—Ｐ标准具的调节
a． 按图３所示放置好光学元件，调节光路同轴，使得 汞灯发出的光经滤光片后5461Å（绿光）通过透镜，让 入射于Ｆ—Ｐ标准具的光束近于平行光，标准具产生的 干涉图像由ＣＣＤ摄像头记录，将图案呈现于微机屏幕， 以便观察测量。 b． 调节Ｆ—Ｐ标准具，标准具两玻璃片内表面平行 调节是实验的关键，只有把平行度调好了。才能看到亮 且细的高对比度的干涉环图像，如图4(a)，调节方法是 依次调节标准具上三只调节螺丝，直到上下摆动头，观 察时，看不到圆环的直径扩大或缩小为止。
eB ~ v (M 2 g 2 M1 g1 ) (M 2 g 2 M1 g1 ) L 4mc
令L=eB/ （4πmc）
(9)
L 4.67 10 3 Bm 1
（B的单位取Gs）,L称为洛仑兹单位。 转换为波长：
由于选择定则的限制，汞灯5461Å谱线在磁场中分裂 为9条彼此靠近的谱线，在图1(b)中以线的长短表示 谱线强度，相邻谱线间的间隔（裂距）为1/2洛仑兹 单位，设
500um
，B=1T，则相邻谱线波长差为
2 eB 0.5nm 8me c
这么小的波长差，必须用高分辨率的光学仪器，本实 验用法布里——珀罗（Fabry—Perot）标准具。
e L PL , 2m
PL L( L 1)
(1)
e s ps m
原子的总自旋磁矩 s 与总自旋角动量 pS 的关系为：
p s S ( S 1)
(2)
原子的轨道角动量和自旋角动量合成为原子的总角动量 p J ， 原子的轨道磁距和自旋磁距合成为原子的总磁距J 。
2. 法布里——珀罗（Fabry—Perot）标准具
F—P标准具是由两块严格平行玻璃板组成。平板 玻璃的内表面平面度要求小于1/20波长，内表面镀高 反射膜，其反射率高于90%，两玻璃板间的间隔圈用 膨胀系数很小的熔融石英材料，以严格保证两平面 玻璃板间平行度和稳定的间距。
n 1
设A、B两平面间的距离为d，中间介质折射率 为n，对于空气n=1 ，则相邻的两光束的光程差