塞曼效应
塞 曼 效 应
塞曼效应1896年塞曼(Zeeman)发现当光源放在足够强的磁场中时,原来的一条光谱线分裂成几条光谱线,分裂的谱线成分是偏振的,分裂的条数随能级的类别而不同。
后人称此现象为塞曼效应。
早年把那些谱线分裂为三条,而裂距按波数计算正好等于一个洛伦兹单位的现象叫做正常塞曼效应(洛伦兹单位)。
正常塞曼效应用经典理论就能给予解释。
实际上大多数谱线的塞曼分裂不是正常塞曼分裂,分裂的谱线多于三条,谱线的裂距可以大于也可以小于一个洛伦兹单位,人们称这类现象为反常塞曼效应。
反常塞曼效应只有用量子理论才能得到满意的解释。
塞曼效应的发现, 为直接证明空间量子化提供了实验依据, 对推动量子理论的发展起了重要作用。
直到今日, 塞曼效应仍是研究原子能级结构的重要方法之一。
实验目的1.掌握观测塞曼效应的实验方法。
2.观察汞原子546.1nm谱线的分裂现象以及它们偏振状态。
3.由塞曼裂距计算电子的荷质比。
实验原理原子中的电子由于作轨道运动产生轨道磁矩,电子还具有自旋运动产生自旋磁矩,根据量子力学的结果,电子的轨道角动量和轨道磁矩以及自旋角动量和自旋磁矩在数值上有下列关系:（1）式中分别表示电子电荷和电子质量；分别表示轨道量子数和自旋量子数。
轨道角动量和自旋角动量合成原子的总角动量,轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩,由于绕运动只有在方向的投影对外平均效果不为零, 可以得到与数值上的关系为:（2）式中g叫做朗德(Lande)因子,它表征原子的总磁矩与总角动量的关系,而且决定了能级在磁场中分裂的大小。
在外磁场中, 原子的总磁矩在外磁场中受到力矩L的作用（3）式中表示磁感应强度,力矩使角动量绕磁场方向作进动, 进动引起附加的能量为将（2）式代入上式得（4）由于和在磁场中取向是量子化的,也就是在磁场方向的分量是量子化的。
的分量只能是的整数倍,即（5）磁量子数M 共有2J+1 个值,（6）这样,无外磁场时的一个能级,在外磁场的作用下分裂成2J+1个子能级,每个能级附加的能量由式（6）决定, 它正比于外磁场B和朗德因子g。
塞曼效应
（6-6-11）
其中 Da 和 Db 分别对应于 λa 和 λb 的 k 级的干涉园环直径。 对于相同波长 λ 和的不同次级 k 和 k－1 级的干涉园环有
2 2 Dk −1 − Dk =
4 f 2k d
（6-6-12）
将(6-6-6)式和(6-6-12)式代入(6-6-11)式中，有
Db2 − Da2 λ 2 ∆λ = 2 2 Dk −1 − Dk 2d
1、F—P 标准具 WSB－II 型法布里－珀罗标准具主要有两块玻璃平板 P1、P2 和石英间隔环（块）Q 组成 （图 6-6-6）。平板相对的两个平面具有极高的平面性，其上镀有高反射率的透光镜。间隔 环（块）厚度分别为 1、2、5、10 毫米，且平行性误差极小。为实现两相对平面的平行性精 细调整，间隔环（块）端面作成一对互成 120º的小平面。当有一单色光线以入射角 γ 进入 仪器时， 光线进行多次反射 （在两高反射膜间） 的折射， 最后形成一组透射的平行相干光束， 它与入射角 γ 相对应，困此当仪器用单色的扩展光源或有一定入射孔径的单色点光源照明 时，在无穷远处将形成一组同心干涉环。根据多光束干涉原理，仪器具有细锐干涉条纹，具 有很高分辨本领和聚光能力。
（6-6-13）
可见对已知的 d 和 λ ，通过测量各个园环的直径就可以算出二波长的波长差。 测量电子的荷质比的方法： 以正常赛曼效应为例，光谱分裂的理论结果是波数差是一个洛仑兹单位 L：
% = L = λ2 ∆λ = λ 2 ∆ν
eB 4π mc
（6-6-14）
试验上测量的结果由（6-6-13）式决定，代入（6-6-13）式得到：
3
S1 0 1 1 2
3
P2 1 1 2
L S J G M MG 1 2
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
17
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2. F—P标准具测量测电子荷质比(不做）
4
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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。
简单塞曼效应和复杂塞曼效应
简单塞曼效应和复杂塞曼效应
塞曼效应是指在磁场中原子能级出现分裂的现象。
它分为简单塞曼效应和复杂塞曼效应两种。
一、简单塞曼效应
1. 磁场力线方向为z轴，磁场的强度为B。
2. 磁场下，原子中每个能级的简并度变成2J+1，J是原子的角动量量子数。
3. 由于原子的量子态$|j,m_j \rangle$实际上不是z轴是在这个方向上的，而是在xyz三个方向上的，因此在磁场下，量子态的简并度依赖于m_j。
4. 原子在磁场中的能级分裂成了2J+1个亚能级，存在Zeeman子的区分。
二、复杂塞曼效应
1. 独立于原子自旋，涉及到原子电子的轨道角动量和自旋角动量，并在磁场下分裂成多个Zeeman子。
2. 磁场下，原子的轨道角动量L和自旋角动量S向量是相互作用的，产生一个总角动量J=L+S。
3. 如此，原子的能级分裂是由J，L和S三个角动量组合来决定的。
4. 这意味着，能量水平的分裂将变得比简单塞曼效应复杂得多，由于J，L和S角动量之间的相互作用，出现了更多的为复杂塞曼效应的能级变化。
结论：
简单塞曼效应和复杂塞曼效应是两种不同的现象。
简单塞曼效应指的
是原子在磁场中能级的简并度和能级分裂数量的变化，影响到原子的光谱线。
而复杂塞曼效应涉及到原子的自旋、轨道角动量及其相互作用，导致原子能级的更加复杂的分裂模式。
在现代物理学研究中，SCP 理论被广泛采用，以便预测磁场下原子能级的变化。
塞曼效应的研究对于原子及分子的结构和运动学的理解有着关键的意义。
塞曼效应的原理与应用
塞曼效应的原理与应用引言塞曼效应是指在磁场中运动的粒子所产生的谱线被磁场分裂成多个频率的现象。
这一现象是由瑞典物理学家塞曼于1896年首次发现的，随后被广泛应用于物理学和化学领域的研究中。
本文将介绍塞曼效应的原理及其在科学研究与应用中的重要性。
塞曼效应的原理塞曼效应是基于磁光现象的原理而产生的。
当光线穿过磁场时，由于光波的电矢量与磁场方向垂直，会受到磁场的作用而发生改变。
具体来说，如果原子或分子的能级结构中存在着电子的紧密能级，那么在磁场中，原子或分子的电子将发生能级的分裂和重新排列，从而产生出不同频率的谱线。
塞曼效应的原理可以用以下公式来表示： \[ ΔE = g \cdot μ_B \cdot B \cdot m \] 其中，\[ ΔE \]表示能级的分裂，\[ g \]表示磁量子数，\[ μ_B \]表示玻尔磁子，\[ B \]表示磁场强度，\[ m \]表示电子的自旋量子数。
根据这个公式，我们可以推断出塞曼效应与磁场强度、自旋量子数等因素密切相关。
塞曼效应的应用塞曼效应在科学研究和实际应用中有着广泛的应用价值。
以下是其中几个重要的应用领域：1. 光谱学塞曼效应在光谱学中起着重要的作用。
利用塞曼效应可以对物质的结构和性质进行分析和研究。
通过测量物质在磁场中的吸收或发射谱线的分裂情况，可以获得有关原子或分子的信息，比如其能级结构、转动和振动等特性，从而推断出物质的组成和结构。
2. 核磁共振成像（MRI）核磁共振成像是一种非侵入式的医学成像技术，广泛应用于医学诊断中。
在核磁共振成像中，利用塞曼效应可以对人体组织中的氢原子进行分析和成像。
通过对核磁共振现象的观察，可以获得具有空间分辨能力的影像，用于检测和诊断人体内部的病变。
3. 量子计算塞曼效应也在量子计算领域得到了应用。
量子计算是一种利用量子力学原理设计和实现的计算方法，相较于传统计算机具有更高的计算效率和存储容量。
塞曼效应在量子比特的控制和测量中扮演着重要的角色，通过调节磁场强度可以实现量子比特的耦合和操作，从而实现量子计算。
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。
塞曼效应ZeemanEffect
塞曼效应Zeeman Effect1986年，塞曼（Pieter Zeeman 1865-1943荷兰物理学家）在洛仑兹电磁理论指导下发现，当光源放在足够强的外磁场中时，原来的一条光谱线分裂成波长靠得很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。
塞曼效应是继法拉第效应和克尔效应之后被发现的第三个磁光效应，是物理学的重要发现之一。
通常人们把谱线在磁场中分裂为三条，两边的两条与中间一条的波数差正好是mc eB π4/（即一个洛仑兹单位L ）的效应称为正常塞曼效应；而把谱线的分裂多于三条，谱线的裂距是洛仑兹单位L 的简单分数倍的效应称为反常塞曼效应。
它不能用经典理论解释，只有用量子理论才能得到满意的解释。
实际上大多数谱线的塞曼分裂不是正常塞曼分裂， 1925年，乌仑贝克和吉兹米特为了解释反常塞曼效应提出了电子自旋的假设，应用这一假设能很好地解释反常塞曼效应。
也可以说，反常塞曼效应是电子自旋假设的有力证据之一。
从塞曼效应的实验结果中可以得到有关能级分裂的数据，即由能级分裂的个数可以知道能级的J 值，由能级的裂距可以知道g 因子。
因此直到今天塞曼效应仍是研究原子能级结构的重要方法之一。
而反常塞曼效应的研究推动了量子理论的发展和实验手段的进步。
近年来，在原子吸收光谱分析中用它来扣除背景，以提高分析的精度。
在天文工作上，用塞曼效应来测量太阳和星体表面的磁场强度等。
反常塞曼效应证实了原子具有磁矩的空间量子化,可以精确测定电子的荷质比。
一．预习提要(1)什么是塞曼效应?分裂谱线与原子能级的关系如何? (2)什么叫偏振光?它的分类和辨别方法有哪些? (3)法布里一珀罗标准具的结构及其用途? (4)如何观察塞曼效应的线偏振和圆偏振? 二．实验要求(1)学习调节法布里一珀罗标准具的方法，养成严谨的科学实验态度。
(2)定性地观察塞曼效应现象，从而区分分裂谱线的成分；定量地测量分裂谱线丌成分的直径，从而掌握一种计算荷质比的方法。
塞曼效应
圆偏振光。
σ线和π线的偏振特性见上图,塞曼效应分为正常塞曼
效应和反常塞曼效应。汞绿线是6s7s 3s1能级到6s6p
3P 2能级跃迁产生的谱线。这两个能级的分裂情况及
对应的量子数M和g表示见下图。
• 上能级6s7s 3s1分裂为三个子能级，下能级6s6p 3P2分
裂为五个能级，选择定则允许的跃迁共有九种。因此，
实验步骤
1、按图调节光路，即以磁场中心到摄谱仪窗口中心的 等高线为轴，暂不放置干涉滤色片，光源通过聚光 镜以平行光入射法—珀标准具，出射光通过成像透 镜再进入摄谱仪,摄谱仪观察成像。
2、调节法-珀标准具的平行度使两平晶平行，即调节法 -珀标准具的三个螺丝，使左右上下移动入眼时对着 法—珀看到的干涉条纹形状不变。
实验目的
本实验通过高分辨率的分光器件法布里 -珀罗观 0 察5461 A 汞绿线在磁场中的分裂并测量分裂谱 线的波数差 等物理量。 1、加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理 学概念的理解 2、学习法布里-珀罗标准具在光谱测量中的 应用
实验原理
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 L与总轨道角动量 pL 的关系为：
（B的单位取Gs）,L称为洛仑兹单位。磁量子数M 的选择定则为
M M 2 M 1 0 , 1
但是，并非任何两个能级的跃迁都是可能的。
当
J J1
,
M 2 0 M 1 0 时除外
①．当 M 0 时，产生 线，沿垂直于磁场的方向观察时，
得到光振动方向平行于磁场的线偏振光。沿平行于磁场的
原来的 谱线将分裂成九条谱线。分裂后的九条谱线
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
塞曼效应
荷兰物理学家塞曼（P．Zeemtin）在1896年发现：足够强的磁场可使光谱线分裂成儿条谱线，称光谱的这种分裂现象为静蔓效应。
塞曼效应从实验验证了角动量空间取向的量子化。
在没有外磁场时氢原子从激发态(n=2,l-1)跃迁到基态(n=1,l=0)时，发射的光只有一条谱线，频率为v=(E2-E1)/h；加上外磁场该条谱线分裂为三条，这种分裂现象很易用角动量空间取向量子化解释。
质垣为m0的电子绕原子核运动时，会形成电流，从而有磁矩。
轨道角动量和轨道磁矩之间有如下关系：
在外磁场中氢原子的附加磁能为
式中L2为电子轨道角动量的z分量取值为mh．所以附加磁能为
附加磁能与磁量子数m有关。
对能级E1没有修正，但对E2的修正有三个可能值。
塞曼效应
（6.6.9）
比较（6.6.6）和（6.6.8）可见，相应的能谱是：
S z h 2 , Enlm =Enl eh B ( m 1) 2me c
（6.6.10） （6.6.11）
S z h 2 , Enlm =Enl
eh B ( m 1) 2me c
6.6 塞曼效应
在外磁场中，能级与m 有关，原来有m 引起的简并 被消除，而且，能量与自旋有关。 2. 反常塞曼效应 在强磁场下，不考虑自旋轨道耦合，原子光谱发生 分裂的现象称为简单塞曼效应或正常塞曼效应。在磁场 较弱时，要考虑电子自旋轨道耦合能的贡献，这时原子 光谱线的分裂现象，称为反常塞曼效应或一般塞曼效应。 结合上一节的讨论结果，考虑电子的自旋轨道耦合 能的贡献，我们可以得出反常塞曼效应的能谱结构为：
在实验室范围内磁场近似为均匀磁场记为66相应的磁矢势设一价金属的电子在其它电子屏蔽下与原子核和库仑场为外加磁场具有661的形式则体系的哈密顿量为
6.6 塞曼效应
碱金属，氢原子和类氢原子核最外层电子有一个价 电子。在磁场中，由于磁场对电子的作用，将使这些原 子的光谱线发生分裂。具体的分裂情况与所考虑的自旋 在磁场中附加能量、自旋与轨道相互作用等有关，下面 分两种情况讨论。 1. 简单塞曼效应 先考虑磁场的附加能量远大于自旋轨道相互作用能 的情况。在这种情况下，略去自旋轨道的相互作用能。 u r 在实验室范围内，磁场近似为均匀磁场，记为 B 。选磁 场方向为 z 轴，即 （6.6.1） Bx By 0 n B Bz
（6.6.8）
式中
1 1 0 z , 0 1 2
。上式可写为：
r h2 2 eB µ V ( r ) ( Lz h ) 1 E 1 1 1 2m 2 m c e e 2 r h 2 V ( r ) eB ( L µ h ) E 2 2 z 2 2 2me c 2me
塞曼效应
塞曼效应，英文：Zeeman effect,是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的.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。
1897年12月，普雷斯顿(T.supeston)报告称，在很多实验中观察到光谱线有时塞曼效应的发现者——荷兰物理学家塞曼。
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。
反常塞曼效应的机制在其后二十余年时间里一直没能得到很好的解释，困扰了一大批物理学家。
1925年，两名荷兰学生乌仑贝克(G.E.Uhlenbeck,1900--1974)和古兹米特(S.A.Goudsmit,1902--1978)提出了电子自旋假设，很好地解释了反常塞曼效应。
应用正常塞曼效应测量谱线分裂的频率间隔可以测出电子的荷质比。
由此计算得到的荷质比数值与约瑟夫·汤姆生在阴极射线偏转实验中测得的电子荷质比数量级是相同的，二者互相印证，进一步证实了电子的存在。
塞曼效应也可以用来测量天体的磁场。
1908年美国天文学家海尔等人在威尔逊山天文台利用塞曼效应，首次测量到了太阳黑子的磁场。
偏振特性对于Δm=+1，原子在磁场方向的角动量减少了一个\hbar，由于原子和光子的角动量之和守恒，光子具有与磁场方向相同的角动量\hbar，方向与电矢量旋转方向构成右手螺旋，称为σ+偏振，是左旋偏振光。
反之，对于Δm=-1，原子在磁场方向的角动量增加了一个\hbar，光子具有与磁场方向相反的角动量\hbar，方向与电矢量旋转方向构成左手螺旋，称为σ-偏振，是右旋偏振光。
对于Δm=0，原子在磁场方向的角动量不变，称为π偏振。
如果沿磁场方向观察，只能观察到σ+和σ-谱线的左旋偏振光和右旋偏振光，观察不到π偏振的谱线。
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。
实验35塞曼效应
B=0 3S1
B=B
M
Mg
1
2
0
0
-1
-2
3P2 546.1nm
546.1nm
2
3
1
3/2
0
0
-1
-3/2
-2
-3
σ
π
σ
汞546.1nm线在磁场中分裂为9条新谱线，其中对应的 线与原谱线相同，各相邻的分裂谱线波数差是L/2。
当ΔM=0时，产生3条线。沿垂直磁场方向观测，线为 振动方向平行于磁场的线偏振光。沿磁场方向观测不到线。
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
1、谱线在磁场中的分裂 按量子理论，当光源处于磁场强度为的磁场中，能级
要发生分裂，其附加能量 E MgB B
当光源未受磁场作用时，设电子由能级跃迁到能级，
产生频率为的谱线 h E2 E1
当ΔM=±1时，产生6条线。沿垂直磁场方向观测，线 为振动方向垂直于磁场的线偏振光。沿磁场方向观测，线 为圆偏振光。
2、用标准具测量波数差 本实验采用干涉滤光片和法布里-珀罗标准具完成分光
任务。
i
i
d
f
当光程差等于波长的数倍时，形成干涉亮环，即对于级干涉环，满足
k 2d cosi
经推导，波数差可表示为
一、背景知识
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。
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(Zeeman)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，证实了原子具有磁距和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解。
塞曼效应另一引人注目的发现是由谱线的变化来确定离子的荷质比的大小、符号。
根据洛仑兹(H.A.Lorentz)的电子论，测得光谱的波长，谱线的增宽及外加磁场强度，即可称得离子的荷质比。
由塞曼效应和洛仑兹的电子论计算得到的这个结果极为重要，因为它发表在J、J汤姆逊(J、J Thomson)宣布电子发现之前几个月，J、J汤姆逊正是借助于塞曼效应由洛仑兹理论算得的荷质比，与他自己所测得的阴极射线的荷质比进行比较具有相同的数量级，从而得到确实的证据，证明电子的存在。
塞曼效应被誉为继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）。
至今，塞曼效应依然是研究原子内部能级结构的重要方法。
本实验通过观察并拍摄Hg(546.1nm)谱线在磁场中的分裂情况，研究塞曼分裂谱的特征，学习应用塞曼效应测量电子的荷质比和研究原子能级结构的方法。
一、塞曼分裂谱线与原谱线关系1、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（P）绕磁场方向旋进。
J(2)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ΔE有(2J+1)个可能值。
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
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。
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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 ()()[]
2212’2‘22112221)(2k
k a b a b D D D D D D g M g M dB c m e --+--=-π。