塞曼效应偏振解
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。
Zeeman效应的理论解释
Zeeman 效应的理论解释摘要: 关于塞曼效应的解释,可以采用经典理论、半经典半量子理论和量子理论等多种方法进行解释.但是经典理论解释不涉及能量性质问题,也就未能反映原子内部客观本质,所以此法不宜采用.半经典半量子理论和量子理论解释塞曼效应,都反映了能量是量子化的，塞曼效应是原子能级在磁场作用下分裂,引起不同能级间(按选择定则)跃迁而发射不同频率的谱线.直接反映了原子内部本质.关键词:经典理论,半经典半量子理论,量子理论,反常塞曼效应1.引言:原子处在恒定外磁场中,它的光谱线常常发生复杂的分裂,且谱线间的裂距正比于磁场强度,且谱线各分量有特殊的偏振和方向特性,这就是光谱的塞曼效应.根据谱线的分裂情况又可分为以下两种:相应于单态谱线在外磁场中的分裂称为正常塞曼效应;相应于非单态谱线在外磁场中的分裂称为反常塞曼效应.2.塞曼效应的经典理论解释到量子理论解释下面用经典理论,半经典半量子理论和量子理论三种方法对塞曼效应进行解释,并讨论其异同及结果的含义. 2.1.塞曼效应的经典理论在氢原子或类氢原子中,核外电子处在磁感应强度为B 的均匀静磁场中,当它处在r 轨道时,受原子核对它的作用力为20=-F m r ω,这里2202+z=0-(-)=0d z eB dx dtm dtω是它在r 轨道上的固有圆频率,设电子绕核运动的速率v c ,即0eB mω时,并且辐射阻尼力可略去,这时电子运动状态和它沿磁场方向和垂直于磁场方向发生的辐射的频率和偏振状态可求出.根据电子运动过程中受核作用和磁场的作用可知,电子的运动方程为2202=-+(-e)B d r dr m m r dtdtω⨯ (1.1)以电子的平衡点为原点取笛卡儿坐标系,使z 轴沿B 的方向,则上式的三个分量应为2202+x-(-)=0d x eB dy dtm dt ω (1.2)2202+y-(-)=0d y eB dx dtm dtω (1.3)2202+z=0d z dtω (1.4)对(1.2)、(1.3)两式,我们求得下列形式的解-=i t x ae ω (1.5) -y='i t a e ω (1.6) 式中'a ,a 是任意常数,ω为待定常数,下面先求ω,现将(1.5)和(1.6)代入(1.2)和(1.3)两式得220(-)a+(-a')=0ieB m ωωω (1.7)220(-)a'+=0ieB mωωω (1.8)由(1.7)和(1.8)得22220(-)=(-)ieB mωωω (1.9)所以220-=()eB mωωω (1.10)即220=+()22eB eB mmωω±±(1.11)上式可简化为0=2eB mωω± (1.12)最后得到所求的圆频率为-0+0=-2=+2eBmeBm ωωωω⎧⎨⎩现再求a 与'a 的关系.由(1.7)式得 220=+'(-)ieB a a m ωωω (1.15)对+ω来说由(1.1O)、(1.13)、(1.15)得'=-a ia (1.16) 于是得所求解为+-=i t x ae ω +-y=-i t iae ω (1.17)对于-ω来说,所求解为--=b i t x e ω --y=-i t ibe ω (1.18)再解方程(1.4)得-z=c i t e ω (1.19)最后得(1.1)的通解为+----()=(-)+b(+)+i ti t i t x y x y z r t a e ie e e ie e ce e ωωω (1.20)(1.20)结果表明,原子核外电子运动可以分解成三种不同频率(+ω,0ω,-ω)的简谐振动,因此,它所发出的辐射便含有三种频率+ω,0ω,-ω. 下面讨论辐射和偏振状态:(1)沿磁场=z B Be 进行的辐射,频率为0ω的辐射是沿磁场方向(Z 轴方向)的简谐振动发出的,根据带电粒子作简谐振动发生辐射的规律,沿振动方向(即Z 轴方向)辐射强度为零.频率为+ω的辐射由(1.20)式可见,是由振动+-=i tx aeω,+(+)2y=i t aeπω发出的,其中Y 方向的振动比X 方向的振动超前2π,故射入观察者(向Z 轴负方向看)的眼睛时,观察者观察到它是右旋圆偏振的.频率为-ω的辐射则是由振动--=i tx be ω,--(-)2y=b i t eπω发出的，其中Y 方向振动比X方向的振动落后2π,故射入观察者的眼睛时,观察者观察到它是左旋圆偏振的.所以结果在Z 方向上的观察者只观察到两种频率的辐射,右旋圆偏振+ω的和左旋圆偏振的-ω.(2)垂直于磁场B 进行(如沿X 轴进行)的辐射.这时沿X 方向振动所发出的辐射强度为零,故只有沿Y 和Z 两个方向的振动所发出的辐射.结果在X 轴方向的观察者便观察到三种辐射0ω,+ω,-ω.其中0ω是平行于Z 轴的线偏振波,而+ω和-ω则都是平行于Y 轴的线偏振波.这就解释了塞曼效应现象. 2.2.塞曼效应的半经典半量子理论 2.2.1.原子总磁矩原子中电子总磁矩为电子的轨道磁矩和自旋磁矩的合成.略去核磁矩对单电子原子的总磁矩为=2j j e gP mμ其中 =(+1)j P j j , (+1)-(+1)+(+1)=1+2(+1)j j l l s s g j j ⎡⎤⎢⎥⎣⎦2.2.2.拉莫尔旋进原子有磁矩j μ处在磁场中就要受磁场的作用,其效果是磁矩绕磁场的方向作旋进,旋进引起能量的增减.2.2.3.原子受磁场作用的附加能量一能级分裂由于原子受磁场作用而旋进引起的附加能量,可证明是 =-cos =cos 2j j e E B g P B mμαβ∆其中 cos =2j P B Mβπ,故 =B E M g B μ∆ (M=j,j-1,…,-j)因此在稳定的磁场下E ∆有2j+1个可能的数值,即是说无磁场时的一个能级,因有磁场的作用要再加能量E ∆,而E ∆有2j+1个不同的可能值,所以这能级裂成2j+1层,且从同一能级分裂的诸能级的间隔是相等的,但从不同的原子能级分裂出来的能级间隔彼此不一定相同,因为g 因子不一定相同.这样在没有磁场时由能级1E 和2E 之间的跃迁产生的光谱线频率同能级的关系为021=-h E E ν,而在磁场中,上下两能级一般都要分裂,因此新的光谱线频率同能级有下列关系:02211=+(-)4B e M g M g mννπ上式表达塞曼效应中分裂后的谱线同原谱线的频率关系.根据跃迁选择定则:=0M ∆产生π型偏振线(21=0=0M M →除外).=1M ∆±产生σ型偏振能. 2.3.塞曼效应的量子理论在这里只讨论简单塞曼效应的量子理论,即考虑氢原子或类氢原子在均匀外磁场中的情况.由于电子的轨道磁矩和自旋磁矩受到磁场的作用,电子除了在原子中所具有的动能和势能外,还有磁场引起的附加能量.另外,电子的自旋和轨道运动之间也有相互作用能量,我们假设外磁场较强,以致它和外磁场引起的附加能量比较起来可略去.取磁场方向为Z 轴,则磁场引起的附加能是 =(+2S )2z z e U L Bm∧∧∆于是体系的定态薛定谔方程为22-+(r)+(+2S )=e 22z z eB u L mmψψψψ∧∧∇当有外磁场时,由于nlM ψ是z L ∧的本征函数=z nlM nlM L M ψψ∧故 =2z S 时, =+(+1)2nlM nl e B E E M m =-2z S 时, =+(-1)2nlM nl e B E E M m由此可见在外磁场中,能级与M 有关,原来M 不同而能量相同的简并现象被外磁场消除.其次由于外磁场的存在,能量与自旋有关.当原子处于S 态时==0l M ,因而原来的能级nl E 分裂为两个能级,P 态时,=1,=1,0,-1l M 在外磁场B 作用下分裂为三个能级,所以,在外磁场中电子由能级nlM E 跃迁到'''n l M E 时,谱线频率为'''0-=+2nlM n l M E E eB Mmωω∆由选择定则知,=0,1M ∆±,所以ω可以取三个值 00=,2eB mωωω±即是在没有外磁场时的一条谱线在外磁场中将分裂为三条,这就是简单塞曼效应.3.正常塞曼效应与反常塞曼效应的比较谱线的分裂来自能级差的变化,因原子具有磁矩,当它处于磁场B 中时,受到磁场的作用而引起的附加能量可表示为=B E M g B μ∆.磁量子数M 有2j+1个取值,因此无磁场时原子的一个能级在磁场的作用下分裂成2j+1个支能级,两相邻支能级的间距为=B E g B μ∆.从同一能级分裂出来的诸能级的间距是相等的,而从不同能级分裂出来的能级间距则不一定相等.若有一条光谱线是由能级1E 和2E (21>E E )之间跃迁产生的,无磁场B 时,这条谱线的频率为21-=E E hν;在外磁场B中,因能级分裂而观察到的新光谱线与原光谱的频率差为2211=(-)M g M g L ν∆其中=4B e L mπ称为洛仑兹单位.实验发现塞曼支能级之间的跃迁服从下列选择定则:21=-=0M M M ∆产生π线(当=0J ∆时,21=0=0M M →除外); 21=-=1M M M ∆±产生σ线.从垂直于磁场B 方向观察,原来谱线分裂为三条,且相邻两条谱线之间的间隔相等,均为一个洛仑兹单位,这样的现象称为正常塞曼效应.如果谱线中分裂条数超过三条,或者有的谱线即使只分裂成三条,但相邻两谱线之间的间隔不等于一个洛仑兹单位,这样的现象称为反常塞曼效应.实验表明,在强磁场情况下一般都会出现正常塞曼效应,在磁场不很强的情况下则出现反常塞曼效应.所谓磁场的强弱是相对的,当外磁场引起的反常塞曼分裂不超过无外磁场时由电子自旋和轨道相互作用引起的能级分裂(精细结构分裂)时,则L 与S 的耦合不能忽略,这时的磁场为弱磁场.若塞曼裂距远大于精细结构裂距,则L 与S 的耦合就可以被忽略,这时的磁场为强磁场.不同原子内部的内磁场大小不同,所以作用在原子上的外磁场的强弱对不同原子是不同的.当外加磁场的强度不足以破坏自旋--轨道耦合时,自旋、轨道角动量分别绕合成角动量J,作快速运动,而J 绕外磁场作慢进动;当外磁场强度超过LS 耦合作用的内磁场时,LS 耦合被破坏,自旋、轨道角动量分别绕外磁场旋进,这时描述原子状态的量子数要用,,,,l s n l s m m .原子因受外磁场作用而引起的能量变化为=(m +2)l s B E m B μ∆所以新的光谱线与原来谱线的频率差为=(m +2)L l s m ν∆∆,由选择定则可得=(0,1)L ν∆±.可见在强磁场中反常塞曼效应趋于正常塞曼效应,这现象被称为帕型-巴克效应.例如,导致两条钠D 线分裂的内磁场约为18特斯拉,而导致锂光谱主线系第一谱线分裂的内磁场只有0．35特斯拉,所以当外磁场B=3特斯拉时,对于钠D 线来说是一个弱磁场,而对于锂原子主线系第一谱线来说却是一个强磁场,在这样的磁场中钠D 线发生反常塞曼效应,锂原子主线系第一谱线将产生正常塞曼效应.4.结论(1)关于塞曼效应的解释,可以采用经典理论、半经典半量子理论和量子理论等多种方法进行解释.经典理论是从经典牛顿力学理论出发,通过求解电子运动方程,得出反映带电粒子(电子)的运动是由3种不同频率的简谐振动合成的,因此电子的这种振动所发的辐射便含有3种频率的辐射谱线.因为采用经典理论解释不涉及能量性质问题,也就未能反映原子内部客观本质,所以此法不宜采用.而采用半经典半量子理论和量子理论的解释直接反映了原子内部本质.不管半经典半量子理论还是量子理论解释塞曼效应,都反映了能量是量子化的,塞曼效应是原子能级在磁场作用下分裂,引起不同能级间(按选择定则)跃迁而发射不同频率的谱线.虽然这两种解释涉及的问题较多,且较复杂,但这两种解释直接反映了原子内部本质.(2)只有当外磁场的强度比较弱,不足以破坏自旋-轨道耦合时才会出现反常塞曼效应,这时自旋角动量和轨道角动量分别围绕总角动量作快速进动,总角动量绕外磁场作慢速进动.当磁场很强时,自旋角动量和轨道角动量不再合成总角动量,而是分别围绕外磁场进动.这时反常塞曼效应被帕邢-巴克效应所取代,其效果是恢复到正常塞曼效应,即谱线分裂成3条,相互之间间隔一个洛伦兹单位.参考文献:[1]杨亚培,张晓霞光电物理基础电子科技大学出版社[2]周世勋量子力学教程高等教育出版社[3]杨福家原子物理学(第3版) 高等教育出版社。
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
塞曼效应——精选推荐
塞曼效应一、实验目的1. 利用高分辨光谱仪器法布里—珀罗（Fabry —Perot ）标准具研究汞546.1nm 光谱线的塞曼（Zeeman ）效应，并测量塞曼分裂的波长差； 2. 学习用光谱学的方法，测定电子比荷m e 的值。
二、实验原理1862年，法拉第（M.Faraday ）试图观察磁场对光谱线的影响，由于所用仪器分辨率小而未有所获。
1896年塞曼（P .Zeeman ）使用强磁场和精密的光谱仪器，在垂直于磁场方向观察（横效应），发现在磁场作用下，镉原子光谱中波数为v ~的一条谱线分裂为v v~~∆+、v ~、v v ~~∆-三条平面偏振化谱线的现象。
中间一条波数未变化的谱线，其电矢量平行于磁场，称为π成分，分裂的两条谱线的电矢量垂直于磁场，称为σ成分；当沿着平行于磁场方向观察（纵效应）时，只能见到v v~~∆-与v v ~~∆+两条左旋和右旋的圆偏振光，π成分则不出现，人们习惯把以上现象称为正常塞曼效应。
进一步根据量子理论研究发现当自旋量子数0=S 时，只有原子轨道磁矩和磁场相互作用，这种情况产生正常塞曼效应。
但是如果自旋量子数0≠S ，且磁场不太强时，原子的轨道磁矩与自旋磁矩先耦合再和磁场作用，从而会出现谱线分裂多于三条的情况，这就是反常塞曼效应。
如果磁场强度逐渐增强，原子的轨道磁矩与自旋磁矩分别和磁场作用，反常塞曼效应又转变为正常塞曼效应，复杂的分裂图形变为简单的洛伦兹（Lorentz ）三垂线，此现象叫磁光转变或帕邢—巴克（Paschen —Back ）效应。
1. 原子的总磁矩与总角动量的关系在忽略核磁矩的情况下，原子的总磁矩等于电子的轨道磁矩L μ 与电子自旋磁矩Sμ之和，分别由轨道角动量L P 和自旋角动量S P 产生。
它们之间的关系为L L P m e⋅-=e2μ和S S P m e⋅-=eμ（如图1所示）。
按量子力学 )1(+=L L P L ， )1(+=S S P S ，S L ，分别为轨道量子数和自旋量子数。
1-5塞曼效应
1-5塞曼效应引言塞曼效应实验在物理学史上是一个著名的实验，它是继法拉第（M.Faraday ，1791-1867，英国物理学家）在1845年发现旋光效应，克尔（J.Kerr ，1824-1907，英国物理学家）在1875年发现电光效应、1876年发现克尔磁光效应之后的又一个磁光效应。
1862年，法拉第出于“磁力和光波彼此有联系”的信念，曾试图探测磁场对钠黄光的影响，但因仪器精度欠佳而未果。
塞曼（P.Zeeman ，1865－1943，荷兰物理学家）在法拉第信念的影响下，经过多次实验，最终用当时分辨本领最高的罗兰凹面光栅和强大的电磁铁，于1896年发现了钠黄线在磁场中变宽的现象，后来又发现了镉蓝线在磁场中的分裂。
洛伦兹（H.A.Lorentz ，1853-1928，荷兰物理学家）根据他的电磁理论，恰当地解释了正常塞曼效应和分裂谱线的偏振特性。
塞曼根据实验结果和洛伦兹的电磁理论，估算出的电子的核质比与几个月后汤姆逊（J.J.Thomson ，1856－1940，英国物理学家）从阴极射线得到的电子核质比近乎相同。
塞曼效应不仅证实了洛伦兹电磁理论的正确性，也为汤姆逊发现电子提供了证据，同时也证实了原子具有磁距并且其空间取向是量子化的。
1902年，塞曼和洛伦兹因此而共享了诺贝尔物理学奖。
经典的电磁理论（电子论）无法解释反常塞曼效应，对反常塞曼效应及复杂光谱的研究，使得朗德（nde ）于1921年提出了g 因子（朗德因子）概念，乌伦贝克（G.E.Uhlenbeck ）和哥德斯密特（S.A.Goudsmit ）于1925年又提出了电子自旋的概念，从而推动量子理论的发展。
塞曼效应证实了原子具有磁距并且其空间取向是量子化的；由塞曼效应还可以推断能级分裂情况，确定朗德因子，从而获得有关原子结构的信息。
至今，塞曼效应仍是研究原子内部结构的重要方法之一。
预习思考1． 何谓正常塞曼效应，何谓反常塞曼效应？2． 法布里－珀罗标准具（F-P 标准具）分光的原理是什么？3． Hg546.1nm 谱线是由3S 1到3P 2跃迁而产生的，试绘出其能级跃迁图。
塞曼效应的实验现象
塞曼效应的实验现象
实验现象：发光谱线发生分裂且偏振的现象，即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。
塞曼效应是法拉第磁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。
塞曼效应的应用
1.塞曼效应帮助物理学家确定原子的能级并研究它们的角动量。
2.也拓展了原子核和电子顺磁共振等现象的研究范围。
3.塞曼效应也用于天文学领域研究太阳和其他恒星的磁场。
4.塞曼效应主要应用于各种光谱技术，如核磁共振光谱、电子自旋共振光谱、穆斯堡尔光谱等。
5.一些医学成像技术如磁共振成像（MRI）也利用了塞曼效应。
6.塞曼效应也表现出极化效应。
偏光太阳镜是现实生活中最好的例子之一。
偏光太阳镜的目的是抑制环境眩光。
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。
正常塞曼效应偏振性的定性解释
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当原子的电子数为偶数，而 ｔｆ 的自 方 恰好使它们 的 Ｕ ｑ 总 自欣ｙ 动 为零时，产牛 常求 丝效应 ｎ 分裂成 三条嘴线，儿ｍ 门然光变为偏振光． 对一 ｒ谱线分裂的 释，各种教利』 小 …致． 止 埘原子 的作Ｊ，原子受磁场 作川产 ｆＪ能 ｛ ｊ １『 ｝ｌ ）
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。
塞曼效应的理论解释的解读
塞曼效应的理论解释沈晓玲(德州学院物电学院，山东德州253023)摘要文章从塞曼效应现象切入，并将塞曼效应分为正常塞曼效应和反常塞曼效应。
然后结合磁场对原子磁矩的作用和电子跃迁时须遵循跃迁选择定则解释了正常塞曼效应和反常塞曼效应谱线条数增多和谱线间距变化的现象。
对于正常塞曼效应，还应用了经典理论方法进行了解释，从而较全面的解释了塞曼效应。
最后，而对于塞曼效应实验的应用也进行了基本阐述。
关键词塞曼效应；原子磁矩；谱线分裂；实验应用1绪论塞曼效应，在原子物理学里是指原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象。
塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。
1896年，荷兰物理学家塞曼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，分裂后的谱线成分是偏振的,且谱线间距以及谱线条数随外磁场的强度和能级的种类的不同而不同，这种现象称为塞曼效应。
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。
塞曼效应在物理学史上是一个重要的里程碑。
我们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由一条谱线分裂成几条偏振化谱线的现象称为塞曼效应。
塞曼效应分为正常塞曼效应和反常塞曼效应。
正常塞曼效应，是指在没有外磁场时的一条谱线在较强的外磁场中将分裂为三条、裂距按波数计算正好等于一个洛伦兹单位的现象。
反常塞曼效应，是指在外磁场很弱，电子自旋与轨道相互作用不能略去，光谱线分裂为多条且间距大于或小于一个洛伦兹单位的的现象。
2塞曼效应的实验现象2.1 正常塞曼效应的实验现象若将镉光源放在足够强的外磁场中，沿着垂直于磁场的方向去观察光源所发光谱，将会观察到三条谱线，其中一条与未加磁场时谱线所处位置一样。
另外两条分居两边，并且观察到的三条谱线间距相等，三条谱线对应的光均为平面偏振光。
中间的一条电矢量平行于外磁场，称作π线。
两边的谱线电矢量垂直于外磁场，称为σ线。
所以，可以如图2-1所示[1]。
塞曼效应
2．根据塞曼效应求波荷质比和洛伦兹单位
由于测量的是π成分，根据偏振定则，由表 2 查得高能级 3S1 的 M（即 M2）取值为 1、 0、–1，低能级 3P2 的 M（即 M1）取值为 1、0、–1 时，满足ΔM=0，出现 3 条谱线；3S1 的 g（g2）=2，3P2 的 g（g1）=3/2。
μJ
=g
e 2me
PJ
（1）
e—电子电量
me—电子质量
g—朗德因子，它表征原子的总磁矩与总角动量之间的关系。
2．外磁场对原子能级的作用
原子的总磁矩在磁场 B 中受到 J B cosα
=
g
e 2me
PJ
cos β
其中α为μJ 与 B 的夹角，β为 PJ 与 B 的夹角。
将以上 3 组满足ΔM=0 的 M1 、M2 和 g1 、g2 ，得到 3 个裂距（波数差）
Δν~1
=
(M 2 g2
− M 1 g1 )L~
=
(1× 2 −1× 3
2)L~
=
1 2
L~
Δν~2 = (M 2 g 2 − M 1g1 )L~ = (0 × 2 − 0 × 3 2)L~ = 0
Δν~3
=
17
附图（1）阿贝比长仪读数显微镜视场 a. mm 标尺 b. 0.1mm 标尺 c. μm 标尺
18
−σ
+σ
图（1）汞原子 564.1nm 的塞曼能级分裂及跃迁
塞曼效应——精选推荐
塞曼效应英国物理学家法拉第(M ．Faraday)在1862年做了他最后的一个实验，即研究磁场对光源的影响的实验。
当时由于磁场不强，分光仪器的分辨率也不大，所以没有观测到在磁场作用下光源所发出的光的变化。
34年后，1896年荷兰物理学家塞曼(P ．Zeeman)在莱顿大学重做这个实验，他在电磁铁的磁极间将食盐(NaCl)放入火焰中燃烧发出的钠光，用3米凹面光栅(473条／毫米)摄谱仪去观察钠的两条黄线。
他发现在磁场的作用下，谱线变宽。
如果磁场再强些或摄谱仪的分辨率再高些，就能看到谱线分裂，即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。
塞曼效应的发现是继英国物理学家法拉第1845年发现磁致旋光效应，克尔(John Kerr)1876年发现磁光克尔效应之后，发现的又一个磁光效应。
塞曼在洛仑兹的指点及其经典电子论的指导下，解释了正常塞曼效应和分裂后的谱线的偏振特性，并且估算出的电子的荷质比与几个月后汤姆逊从阴极射线得到的电子荷质比相同。
塞曼效应不仅证实了洛仑兹电子论的准确性，而且为汤姆逊发现电子提供了证据。
还证实了原子具有磁矩并且空间取向是量子化的。
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。
直到今日，塞曼效应仍旧是研究原子能级结构的重要方法。
当时原子结构的量子理论尚未产生，洛仑兹用经典的电子理论对这一现象进行了理论计算，得出所谓正常塞曼效应的结果，即当光源在外磁场的作用下，一条谱线将分裂成三条(垂直于磁场方向观察)和二条(平行于磁场方向观察)偏振化的分谱线。
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c m eB L π4/=)。
正常塞曼效应用经典理论就能给予解释。
当实验条件进一步改善以后，发现多数光谱线并不遵从正常塞曼效应的规律，而具有更为复杂的塞曼分裂。
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，这现象在以后的30年间一直困扰着物理学界，人们称这类现象为反常塞曼效应。
实验1 塞曼效应
实验一 塞曼效应0 前言塞曼效应实验是物理史上一个著名的实验，是荷兰物理学家皮特尔∙塞曼（Pieter .Zeeman ）于1896年发现：当光源置于外磁场中时，光源发出的每一条光谱线将分裂成几条波长相差很小的偏振化谱线的现象。
塞曼发现了这一效应，很快由当时洛仑兹(H. A. Lorentz )给出了解释，他俩荣获了1902年度诺贝尔物理奖。
塞曼效应有正常塞曼效应和反常塞曼效应。
后来乌仑贝克—古兹米提出电子自旋的假设更好地解释了塞曼效应。
从塞曼效应实验中可得到有关能级的数据，从而计算电子荷质比em e等，是研究能级结构的重要方法之一。
这一效应是继法拉第效应、克尔效应之后发现第三个磁场对光影响的例子，使得人们对物质的光谱，原子和分子有了更多的理解。
也是三个近代物理实验“史特恩—盖拉赫实验、碱金属双线、塞曼效应”之一，是直接证明空间量子化提供实验依据，推动量子理论的发展起了重要作用。
本实验观察汞nm 1.546（绿色）光谱线的塞曼效应。
1 实验目的1.了解和掌握WPZ-Ⅲ型塞曼效应仪和利用其研究谱线的精细结构。
2.了解法布里-珀罗干涉仪的的结构和原理及利用它测量微小波长差值。
3.观察汞nm 1.546（绿色）光谱线的塞曼效应，测量它分裂的波长差，并计算电子的荷质比（e m e）的实验值和标准值比较。
2 原理2．1 塞曼效应原理要了解谱线在磁场中的分裂现象，我们先看看光源与磁场如何发生相互作用。
具有总磁矩为J μ的原子体系，在外磁场为B 中具有的附加能为E ∆= -J μ*B-------------------------------------------- (1—1)这里取B的方向沿z 轴。
当外磁场B 不足以破坏电子自旋—轨道耦合时，即B 为弱磁场，引起附加的能量为：E ∆= -z μB =B g m B J J μ ----------------------------------- (1—2) 其中z μ为J μ在z 方向投影，J m 为角动量J 在z 方向投影的磁量子数，有12+J 个值，B μ=em ehπ4称为玻尔磁子，J g 为朗德因子，其值为J g =)1(2)1()1()1(1++++-++J J S S L L J J -------------------------- (1—3)即附加能量有12+J 个可能值，也就是说由于磁场的作用，使原来的一个能级分裂成12+J 个子能级，而能级间隔为B g B J μ。
塞曼光谱偏振现象的实验研究
塞曼光谱偏振现象的实验研究塞曼效应是物理学中的一个重要现象，描述了原子或分子在外加磁场下的光谱变化规律。
它于1896年被瑞士物理学家塞曼在其研究气体发光性质时首次发现，并于两年后由于法国物理学家布尔再次独立发现而获得广泛关注。
塞曼光谱偏振现象的实验研究帮助我们更好地理解塞曼效应，并为应用于量子力学、光谱学和原子物理等研究领域提供了基础。
1.准备实验仪器：实验需要准备一个恒定磁场，可以通过使用螺线管或永磁体来产生。
同时，还需要一个带有狭缝和光学系统的光谱仪，用于测量光谱线的强度和偏振方向。
2.准备样品：选择适当的原子或分子样品，如气体或金属，放置在磁场中心。
样品可以是纯净的，也可以是杂质掺杂的。
3.开始观察光谱变化：打开光谱仪，调整光源和狭缝的位置，并记录未加磁场时的基准光谱。
4.施加磁场：逐渐增加磁场强度，记录并观察光谱线的位移和偏振变化。
可以使用偏振滤光片来选择和测量特定方向的偏振光谱线。
5.分析光谱数据：根据实验结果，测量光谱线的频率差异、偏振状态的变化、线宽的增加等，以了解塞曼效应在特定样品中的影响。
通过这样的实验，我们可以观察到以下塞曼光谱偏振现象：1.光谱线的分裂：在外加磁场下，原子或分子的光谱线会呈现出分裂成多个能级的特征。
分裂的数量和分裂程度取决于磁场的强度和原子核自旋量子数。
2.磁场导致的频率位移：磁场的存在会使光谱线出现频率的位移，位移大小与磁场的强度和原子核自旋量子数有关。
3.光谱线偏振的改变：在外加磁场中，光谱线的偏振状态会发生变化。
具体情况可以通过适当选择的偏振滤光片将光谱线分离为不同的偏振方向进行观察和测量。
塞曼光谱偏振现象的实验研究是量子力学和原子物理学的重要研究内容。
研究人员通过实验研究塞曼效应，可以深入了解原子和分子级别的自旋-轨道相互作用、角动量和磁性等基本物理性质，并且能够通过光谱分析技术来研究和探索更多的原子系统和分子结构。
总之，塞曼光谱偏振现象的实验研究为我们提供了观察和理解塞曼效应的重要手段。
塞曼效应实验说明
实验简介: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。
实验原理: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：）绕磁场方向旋进。
其效果是磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量（PJ(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。
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4、塞曼效应的偏振特性
（1）沿Z 方向传播的电磁波（横波）的电场矢量必定在xy 平面（横波特性），并可分解为：
⎩⎨⎧-==)cos(cos αωωt B E t A E y
x
当0α=，电场矢量在某一方向做周期变化，为线偏振，又称平面偏振
当2απ=，A ＝B 时，合成的电场矢量的大小为常数，方向做周期性变化。
矢量箭头绕圆周运动，此即圆偏振。
（2）定义右旋偏振和左旋偏振
定义：沿z 轴逆光观察，电矢量顺时针转动，称为右旋（圆）偏振，反之称为左旋（圆）偏振。
圆偏振光具有角动量，且光的角动量方向与电矢量旋转方向成右手螺旋关系。
沿着Z 方向对准光传播方向观察（逆着光传播方向），
电矢量作顺时针转动，称为右旋偏振，
角动量方向与传播方向相反
光的传播方向Z 向右
光的角动量方向L 向左
沿着Z方向对准光传播方向观察（逆着光传播方向），
电矢量作逆时针转动，称为左旋偏振，
角动量方向与传播方向相同
光的传播方向Z向右
光的角动量方向L向右
（3）塞曼效应
211
Δm m m
=-=（以正常塞曼效应为例）
原子在磁场方向（Z方向）的角动量减少了1，原子和发出的光子作为一个整体，角动量必须守恒，因此，所发光子必定在磁场方向（Z方向）具有角动量。
//B，B指向观察者时，光的角动量方向与传播方向一致，看到σ+左旋偏振。
对于
211
Δm m m
=-=-，
原子在磁场方向（Z方向）的角动量增加了1，原子和发出的光子作为一个整体，角动量必须守恒，因此，所发光子必定在磁场相反的方向具有角动量。
//B，B指向观察者时，光的角动量方向与传播方向相反，看到σ-右旋偏振。
B
⊥观察（如X方向），只能看到Ey分量（横波特性），能观察到于B垂直的线偏振σ成分。
（4）
210
Δm m m
=-=
原子在磁场方向（Z方向）的角动量不变，但光子具有角动量。
原子发射光子时，为了保持角动量守恒，光子的角动量一定垂直于磁场。
与光相应的电矢量必定在yz平面（去光的角动量方向为X），可以有Ey，Ez分量。
但是，实际上，角动量在xy平面上所有的光子都满足0
Δm=的条件，因此，平均效果使得Ey＝0。
于是，在//B，B指向观察者时，既观察不到Ey分量，也不会有Ez分量（横波特性），见不到与0
Δm=相应的π成分。
B
⊥观察，只能见到Ez分量，能观察到与磁场B平行的线偏振π成分。
注：电磁波的横波特性，沿X方向传播的光，电矢量不会在X方向。