塞曼效应的量子力学分析

塞曼还根据洛仑兹理论的预计，在观测镉蓝线时，观祭到了光谱线的分裂现象：在垂直于磁场 方向观察，谱线分裂成三根；平行于磁场方向观察，谱线分裂成二根，进一 步证实了洛仑兹理论．但 是，塞曼却没有注意 更多种类的光谱线磁场分裂并不遵守洛伦兹理论。 比如：钠黄线D1在磁场作 用下沿垂直于磁场的方向分裂为4根，D2 剧分裂为6根；甚至有些谱线可分裂为9根、l1根等等。经典 理是无法解释这些现象的，只有等到量子力学出现，特别是发现了电子自旋以后，才建立起完整的 理论，得到了完善的解释。由于历史的原因，人们把符合经典理论的磁致分裂称为正常塞曼效应， 不符合经典理论的称为反常塞曼效应。其实，正常塞曼效应只是反常塞曼效应中的一些特例。
全面的解释塞曼效应须用量子理论，并须考虑电子电子自旋磁矩与轨道磁矩耦合为总磁矩，它 们是空间量子化的，在外磁场作用下引起的附加能量不同，造成能级分裂。从而导致光谱线的分裂。 正常塞曼效应是总自旋为零时原子能级和光谱线在磁场中的分裂；反常塞曼效应是总自旋不为零的 原子能级和光谱线在磁场中的分裂。塞曼效应推动了科学的发展，是研究原子结构的重要途径之一 。 人们根据塞曼效应的观测结果，总结了许多经验规律，这些规律为量子理论的发展，探讨原子内部 的结构，特别是电子自旋的发现提供了重要的依据。在天体物理中，塞曼效应被用来测量天体磁场 及星际磁场。因此对塞曼效应研究具有十分重要的意义。
1 塞曼效应的发现史
法拉第是一位伟大的实验物理学家，他的一生对人类作了许多的贡献，最重要的是电磁感应现 象的发现。他坚持探索电与磁的关系，并对光与电磁之间的联系进行了许多探索。19 世纪末研究电 磁和光之间的相互作用竟成了一个热门。就在这个年代塞曼开始了他的科学生涯。1893 年他从麦克 斯韦纪念法拉第的文章中读到过一段话，了解到对磁和光之间的联系所作的实验成了法拉第最后的 工作。于是塞曼坚持法拉第的研究。
6．结语……………………………………………………………………………………………………13 参考文献………………………………………………………………………………………………13 致谢……………………………………………………………………………………………………13
I
商丘师范学院学士学位毕业论文
塞曼效应的量子力学分析
塞曼认为法拉第之所以没有成功可能是因为议器不够完善，当时巳经有了很精密的光谱议和很 强太的电磁铁，应该可以实现法拉第的思想。于是他就运用了当时分辨本领最高的光谱仪— 美国物 理学家罗兰发朗的凹面光栅和鲁姆科夫制造的电磁铁。电磁铁的磁极间燃烧氢氧焰，将石棉条沾上 食盐，放在火焰中，用光谱议观察，可以看到钠的两根黄色 的特征谱线D，(5896埃)和D (5890埃)。
I adopt the research technique which the theoretical analysis, the value computation and the practical application unify.Key to illumination atom energy level and spectral line in outside magnetic field fission research.
2 简单塞曼效应
1
商丘师范学院学士学位毕业论文
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、荷兰物理学家洛仑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。塞曼和洛仑兹因为这一发现共同获得了 1902 年的诺贝尔物理学奖。
他一边观察光谱，一边给电磁铁通电，当电路接通时，他注意到 两根D 线都明显地变宽。如果 切断电流，光谱则恢复原状。变宽现象的出现和消失都是瞬时的。塞曼确证了这个现象以后，就想 进一步去解释它。在各种理论中，他选择了格仑兹的电磁理论。他将这个想法写信告诉洛仑兹教授， 洛仑兹指出，如果这个理论用得正确， 就应该有下列结果： 从增宽的谱线边缘发出的光，沿磁力 线方向观察应是圆偏振光；相反，如果从与磁力线成直角的方向观察，增宽了的钠谱线的边缘显示 出是平面偏振光，与洛它兹的理论相符。就这样塞曼不仅发现了塞曼效应，他的实验还帮助了J．J 汤姆生发现了电子和洛仑兹的电磁理论。
摘要
全面的解释塞曼效应须用量子理论，并须考虑电子电子自旋磁矩与轨道磁矩耦合为总磁矩，它 们是空间量子化的，在外磁场作用下引起的附加能量不同，造成能级分裂。从而导致光谱线的分裂。 正常塞曼效应是总自旋为零时原子能级和光谱线在磁场中的分裂；反常塞曼效应是总自旋不为零的 原子能级和光谱线在磁场中的分裂。塞曼效应推动了科学的发展，是研究原子结构的重要途径之一 。 人们根据塞曼效应的观测结果，总结了许多经验规律，这些规律为量子理论的发展,探讨原子内部的 结构，特别是电子自旋的发现提供了重要的依据。在天体物理中，塞曼效应被用来测量天体磁场及 星际磁场。因此对塞曼效应研究具有十分重要的意义。本论文从其发现史、种类、偏振分析、量子 分析及其具体实例等几个方面来研究。
3.1 塞曼效应的偏振特性的全面描述…………………………………………………………………4 3.2 塞曼谱线偏振特性解释的理论前提………………………………………………………………4
3.3 对 光偏振性的解…………………………………………………………………………………6 3.4 对 光偏振性的解释………………………………………………………………………………6
Keywords
Zeeman effect; Simple zeeman effect; Polarization condition; Spinning; Atomic spectrum fission
II
商丘师范学院学士学位毕业论文
0 引言
塞曼效应是原子在磁场中能级和光谱发生分裂的现象。1896 年塞曼发现原子在足够强的磁场中 光谱线发生分裂，在垂直磁场方向观察到分裂为 3 条，裂距与磁场大小成正比。中间的谱线与不存 在磁场时的波长相同，但它是线偏振光，振动方向与磁场平行；两边的两条谱线是振动方向与磁场 垂直的线偏振光，在平行磁场方向观察，只能看到两边的两条谱线，它们是圆偏振光 。洛伦兹用经 典电磁理论作了解释。随着科学的发展，发现许多原子的光谱线在磁场中分裂更为复杂。人们把塞 曼原来发现的现象称为正常塞曼效应，更为复杂的称为反常塞曼效应。
2008 届本科毕业论文
塞曼效应的量子分析
姓 名：
韩丽芳
系 别： 物理与信息工程系
专 业：
物理学学 号：ຫໍສະໝຸດ 040311046指导教师：
胡昆明
2008 年 1 月 27 日
商丘师范学院学士学位毕业论文
目录
摘要与关键词……………………………………………………………………………………………II 0 引言 ………………………………………………………………………………………………………1 1．塞曼效应的发现史………………………………………………………………………………………1 2．简单塞曼效应……………………………………………………………………………………………1 3．塞曼效应的偏振特性……………………………………………………………………………………4
4.钠原子光谱与氢原子光谱的塞曼效应 …………………………………………………………………8 4.1 光谱的精细结 ……………………………………………………………………………………8 4.2 塞曼效应……………………………………………………………………………………………9
5.塞曼效应实验的一个应用………………………………………………………………………………10 5.1 基本原理……………………………………………………………………………………………10 5.1.1 塞曼效应……………………………………………………………………………………10 5.1.2 量子数的性质………………………………………………………………………………11 5.2 应用 ………………………………………………………………………………………………11 5.2.1 M 和 J 值的确定 ……………………………………………………………………………11 5.2.2 L、S 和 J 值的确定…………………………………………………………………………11
我采取理论分析、数值计算和实际应用相结合的研究方法。重点对发光原子的能级和谱线在外 磁场中的分裂的研究。
关键词
塞曼效应；简单塞曼效应；偏振态；自旋；原子光谱分裂
The Quantum Analysis of Zeeman Effect
Abstract
The comprehensive explanation zeeman effect must use the quantum theory, and must consider the electron electron spin magnetic moment and the orbital magnetic moment coupling is the total magnetic moment, they are the space quantization, causes the additional energy under the outside magnetic field function to be different, creates the level splitting.Thus causes the light spectral line the fission.The normal zeeman effect is always spins for the zero hour atomic energy level and the light spectral line in the magnetic field fission; The unusual zeeman effect is always does not spin for the zero atomic energy level and the light spectral line in the magnetic field fission.The zeeman effect impelled the science development, studies one of atomic structure important ways.The people according to the zeeman effect the observation result, summarized many experience rules, these rules for the quantum theory development, the discussion atom internal structure, specially the electron spin discovery have provided the important basis.In the heavenly body physics, the zeeman effect is used for to survey the heavenly body magnetic field and the interstellar magnetic field.Therefore has the extremely vital significance to the zeeman effect research.The present paper from its discovery history, the type, the polarization analysis, the quantum analysis and the concrete example and so on several aspects studies.