塞曼效应

塞曼效应

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，后来发现，这种加宽现象实际是谱线发生了分裂。

原子谱线为什么会出现分裂现象呢？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。洛仑兹认为，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，在磁场作用下能级发生分裂，因而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。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合理地解释，困绕了一大批物理学家。1925年，两名荷兰学生乌仑贝克和古兹米特提出了电子自旋假设，反常塞曼效应的困惑才告一段落。[6]

十九世纪末叶，塞曼效应的发现是对光的电磁理论有力支持，特别是及时得到洛伦兹的理论解释，更受到人们的重视，被誉为继X射线之后物理学最主要的发现之一。现在学术界对塞曼效应的解释运用的是量子力学，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。

如果按照形态场假说的观点分析，经典电磁理论和量子力学关于塞曼效应的解释却是不成立的。因为在复式原子模型中，核外电子不存在轨道磁矩，且轨道角动量角量子数l为零，与之对应的原子磁矩空间量子化条件消失；所以不存在电子轨道磁矩与自旋磁矩耦合现象，原子能级分裂的假设失去了理论前提。

那么，塞曼效应又该如何解释呢？形态场假说认为，磁场中光谱线分裂现象与电磁波的偏振性和原子能级分裂两种因素有关。下面让我们来讨论第一个问题——电磁波的偏振性。

电磁波偏振方向决定于原子磁轴的方向，原子的磁场结构具体表述为：以原子核电场为轴，磁力线方向为右手旋。由史特恩-盖拉赫实验可知，在外磁场中，原子磁轴方向将产生极化现象，趋向与外磁场磁力线相垂直。极化后的原子核外电子轨道平面将与外磁场磁力线保持平行。

从垂直磁力线角度看，磁轴方向由外向里的原子（左图），核外电子顺时针绕核旋转，自旋方向与轨道运动方向相同，因此，辐射出的电磁波为左旋偏振波。同理，磁轴方向由里向外的原子（右图），核外电子逆时针绕核旋转，自旋方向与轨道运动方向相同，因此，辐射出的电磁波为右旋偏振波。

实验显示，谱线分裂图像与观察方向有关。如果顺着磁力线望去，原来的一条谱线分成两条，它们在原谱线两侧对称的位置上，两条谱线都是圆偏振的。要是从垂直于磁力线的方向看，谱线变成三条，其中一条在原谱线位置，另外两条各在它的一侧。三条谱线都呈直线偏振，并且中间一条的偏振方向与旁边两条的偏振方向正交。

第一种情形，顺着磁场方向（N极）观看，发生辐射的电子位于C、D点，极化后的磁性原子分别发出左旋偏振光和右旋偏振光。因此，原混合谱线必将发生分裂，分别向左、右移动，分列在原谱线两侧。原子的磁轴在水平面内可以自由转动，对观测结果没有任何影响，分裂谱线呈扇形分布，又称圆偏振。

第二种情形，垂直于磁力线的方向看，相当于从P点侧视电子轨道平面，观测视线与电子轨道面平行。从P点观察，磁轴方向由外向里的原子（左图）A点所发出的左旋偏振光，向上偏移。磁轴方向由里向外的原子（右图）B点所发出的右旋偏振光，向下偏移。对于P

点的观测者来说，A、B两点发出的偏振光都呈直线偏振，分列在原谱线的两侧。

通常情况下，在外磁场作用下，原子的磁轴将被极化，趋向与外磁场磁力线相垂直。但是，有一种情况除外，就是原子的磁轴与外磁场磁力线平行的情形，磁场对原子磁场不产生作用，这时光的偏振行为不在上述两种情形之列。顺磁力线方向观察，相当于俯视核外电子轨道平面，观测不到电子发出的电磁波。垂直磁力线观察，则可观测到水平方向的偏振光，其中：磁轴向上的E点电子，辐射出的是右旋偏振光，磁轴向下的F点电子，辐射出的是左旋偏振光。这两种偏振光在水平方向发生位移，在垂直方向不显示位移，因而仍位于原谱线位置，偏振方向与A、B两点发出光的偏振方向相垂直，即与旁边两条谱线的偏振方向正交。

接下来，让我们来讨论第二个问题——原子能级的分裂。在复式原子模型中，虽然不承认电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合，引起原子

能级分裂；但是，并不否认外磁场对原子核和核外电子的作用，磁场在对原子核和电子质量场作用过程中，必将改变核外电子的能量状态（轨道半径），导致原子能级分裂。

原子能级分裂程度与外磁场强度成正比。如若原子能级分裂轻微，电子辐射出的电磁波频率变化较小，谱线的分裂程度就会较弱，同方向的偏振谱线密集地聚集在一起，合并为一条谱线。从垂直磁场方向看，原谱线大致分裂成左、中、右三条谱线，称为正常塞曼效应。如若原子能级分裂程度较高，电子辐射出的电磁波频率变化较大，同一能级的光谱就会明显地分裂为两条或两条以上谱线，称为反常塞曼效应。作为试验验证，当改变外磁场强度时，可以观测到分裂谱线同步发生变化，谱线分裂间隔与外磁场强度成正比。

综上所述，塞曼效应是一种电磁波偏振位移行为，属于一级效应，电磁波的频率变化属于二级效应。在没有外磁场的环境中，各种偏振光混杂在一起，占据光谱的同一位置。通过磁场作用后，能级分裂，谱线向各自的偏振方向分离，这是谱线分裂的原因。