塞曼效应

塞曼效应

一、背景介绍

☆1896年8月，塞曼在探测磁场对谱线的影响的实验中发现，磁力作用于火焰时，火焰发出的光周期和频率发生了变化，钠双线光谱发生分裂。一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，后来这种现象称为塞曼效应。

☆洛仑兹根据经典电子论解释了分裂为三条的正常塞曼效应

☆ 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

☆ 1912年，帕邢和拜克（E ．E ．A ．Back ）发现在极强磁场中，反常塞曼效应又表现为三重分裂，叫做帕邢－拜克效应

☆ 1921年，德国杜宾根大学教授朗德引进一因子g 代表原子能级在磁场作用下的能量改变比值

☆ 1925年，乌伦贝克与哥德斯密特提出了电子自旋的概念

☆ 1926年，海森伯和约旦引进自旋S ，从量子力学对反常塞曼效应作出了正确的计算

1896年，荷兰著名的实验物理学家塞曼（Zeeman ）将光源

置于强磁场中，研究磁场对谱线的影响，结果发现原来的一条

光谱线，分裂成几条光谱线，分裂的谱线成份是偏振的，这一

现象称为塞曼效应。由于发现了这个效应，塞曼在1902年获得

诺贝尔物理学奖。这是当时实验物理学家的重要成就之一，它

使人们对物质的光谱、原子和分子的结构有了更多的了解。

通过塞曼效应实验，可由能级分裂的个数知道能级的值，由

能级的裂距可以知道因子。如果原子遵从耦合，则可由值判断

该能级的和值。

二．实验原理

塞曼效应的产生是由于原子的总磁矩（轨道磁矩和自旋磁矩）受外磁场作用的结果

1. 外磁场对原子能级的影响

具有总磁矩μJ 的体系, 在外磁场B 的作用下，由于绕外磁场B 的方向旋进而获得的附加能量ΔE 为：

（1）

式中，β为PJ 和B 的夹角。

μJ 或P J 在外磁场中取向是量子化的，则PJ 在外磁场方向的分量PJcos β 也是量子化的：

.cos(.)cos cos 2J

J J

E P B B e g P B m

μαβ∆=-=-=-J μB

M P J =βcos

（2）

J 一定时，磁量子数M 的取值为：-J ，-（J-1），……，（J-1），J ，共2J+1个数值 附加能量ΔE 的表达式：

玻尔磁子（3）

结论：无外场时的一个能级，在外磁场的作用下分裂成2J+1个能级，每个能级附加的能量由（3）式决定

2. Hg 原子绿光塞曼效应

Hg 原子绿光（546.1nm ）在磁场中的分裂是由6s7s （3S1）跃迁到6s6p （3P2）而产生的，为反常塞曼效应。

图1. (a) 横向和(b)纵向塞曼效应示意图

图2 Hg 原子绿光分裂规则图

两种不同的现象：

横向塞曼现象

B Mg B m

e Mg E B μ==∆2

垂直磁场B观察时，如图1(a)所示，π成分除原谱线外，分裂出2条分谱线，σ成分共分裂出6条分谱线

纵向塞曼现象

纵向（平行磁场B）观察时，如图1(b)所示，只剩下σ成分的6条分谱线

三、实验仪器

图3 实验装置图

图4 实验装置示意图

N、S：电磁铁的磁极；L1：会聚透镜；A、B：F—P标准具；P：偏振片；k：1/4波片

四、实验内容

⏹ 学习观察塞曼效应的方法及Fabry-Perot （简称P-F ）标准光具的使用。

⏹ 观察Hg 的546.1nm 谱线的横向和纵向塞曼效应分裂谱观察及随磁场强度变化规律。 ⏹ 利用横向塞曼效应的π成分，距测定电子的荷质比。

电子荷质比e/m 的表达式为：

（4）

其中D 代表相应谱线直径（见图5）

五、最新进展

近年来在测量技术及应用方面的发展：

1）测量技术的改进：使用CCD 摄像和数码测量两种新型电子技术成功的解决了读数显微镜观测干涉条纹观测的不便及且误差大等问题

2）应用方面的发展之一：利用塞曼效应实验验证量子力学的微扰论

3）应用方面的发展之二：塞曼效应作为原子吸收分光光度计的背景校正，如塞曼效应石墨炉法

七、参考文献

[1]褚圣麟. 原子物理学[M] . 北京:高等教育出版社.

[2]杨福家. 原子物理学[M] . 北京:清华出版社.

[3]李敬林. 近代物理实验[M] . 北京:北方交通大学出版社,2003 ,8.

[4]林木欣. 近代物理实验教程[M] . 北京:科学出版社,1997 ,7.

[5]唐超群主编，近代物理实验教程。 华中科技大学物理系教材， 2008 ()()[]

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