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。
塞曼效应实验报告(完整版)
南昌大学物理实验报告学生姓名： 学号： 5502210039 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩：塞曼效应一、实验目的1．观察塞曼效应现象，把实验结果与理论结果进行比较。
2．学习观测塞曼效应的实验方法。
3．计算电子核质比。
二、实验仪器WPZ —Ⅲ型塞曼效应实验仪三、实验原理塞曼效应：在外磁场作用下，由于原子磁矩与磁场相互作用，使原子能级产生分裂。
垂直于磁场观察时，产生线偏振光（π线和σ线）；平行于磁场观察时，产生圆偏振光（左旋、右旋）。
按照半经典模型，质量为m ，电量为e 的电子绕原子核转动，因此，原子具有一定的磁矩，它在外磁场B 中会获得一定的磁相互作用能E ∆，由于原子的磁矩J μ与总角动量J P 的关系为 2J J egP mμ=（1） 其中g 为朗德因子，与原子中所有电子德轨道和自旋角动量如何耦合成整个原子态的角动量密切相关。
因此，cos cos 2J J eE B g P B mμαα∆=-=-（2） 其中α是磁矩与外加磁场的夹角。
又由于电子角动量空间取向的量子化，这种磁相互作用能只能取有限个分立的值，且电子的磁矩与总角动量的方向相反，因此在外磁场方向上， cos ,,1,,2J hP MM J J J απ-==--（3）南昌大学物理实验报告学生姓名： 刘惠文 学号： 5502210039 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩：式中h 是普朗克常量，J 是电子的总角动量，M 是磁量子数。
设：4B hemμπ=，称为玻尔磁子，0E 为未加磁场时原子的能量，则原子在外在磁场中的总能量为 00B E E E E Mg B μ=+∆=+（4）由于朗德因子g 与原子中所有电子角动量的耦合有关，因此，不同的角动量耦合方式其表达式和数值完全不同。
在L S -耦合的情况下，设原子中电子轨道运动和自旋运动的总磁矩、总角动量及其量子数分别为L μ、L P 、L 和S μ、S P 、S ，它们的关系为(1),222L L e e hP L L m m μπ==+（5）(1),2S S e e hP S S m m μπ==+（6）设J P 与L P 和S P 的夹角分别为LJ α和SJ α，根据矢量合成原理，只要将二者在J μ方向的投影相加即可得到形如（1）式的总电子磁矩和总轨道角动量的关系：2222222222cos cos (cos 2cos )2(2)222(1)222J L LJ S SJL LJ S SJ J L S J L S J J J L S JJ J eP P mP P P P P P e m P P P P P e P P m e gP mμμαμααα=+=++--+=+-+=+=（7） 其中朗德因子为 (1)(1)(1)1.2(1)J J L L S S g J J +-+++=++（8）由（＊）式中可以看出，由于M 共有（2J ＋1）个值，所以原子的这个能级在南昌大学物理实验报告学生姓名： 刘惠文 学号： 5502210039 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩：外磁场作用下将会分裂为（2J ＋1）个能级，相邻两能级间隔为B g B μ。
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
图1-3-5 塞曼效应实验装置图 汞灯光由会聚透镜成平行光，经滤光片后5461 A0光入射到F-P标准 具上，由偏振片鉴别π成份和σ成份，再经成像透镜将干涉图样成像在 测量望远镜（或CCD光敏面、摄谱仪底板）上。观察塞曼效应纵效应 时，可将电磁铁极中的芯子抽出，磁极转900，光从磁极中心通过。将 1/4波片置于偏振片前方，转动偏振片可以观测σ成份的左旋和右旋圆 偏振光。
光谱线的间线(上下能级自旋量子数S＝0即单重态间的跃迁)在磁场 作用下，把原波数为
的一条谱线分裂成波数为
,
，
的三条谱线，中间的一条为π成份，分裂的二条为σ成份，谱线间隔为 一个洛仑兹单位。对于双重态以上的谱线将分裂成更多条谱线。前者称 为正常塞曼效应，后者称为反常塞曼效应。 例：钠589nm 谱线的塞曼效应 钠589nm谱线是
一、原理
1、 电子自旋和轨道运动使原子具有一定的磁矩。在外磁场中，原子磁 矩与磁场相互作用，使原子系统附加了磁作用能ΔE。又由于电子 轨道和自旋的空间量子化。这种磁相互作用能只能取有限个分立的 值，此时原子系统的总能量为：
（1-3-1） 式中E0为未加磁场时的能量，M为磁量子数，B为外加磁场的磁感应 强度，e为电子电量，m为电子质量，h为普朗克常数，g为朗德因子。 朗德因子的值与原子能级的总角动量J、自旋量子数S和轨道量子 数L有关，在L－S耦合情况下:
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
塞曼效应
塞曼效应（Zeeman effect），在原子、分子物理学和化学中的光谱分析里是指原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象。
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。
反常塞曼效应和正常的塞曼效应区别：
原子核会产生电场，电子在其中运动的时候，由狭义相对论，这个运动的电子会受到一个磁场的作用，这个磁场正比于电子的轨道角动量，从而自旋和轨道磁矩合成一个总的磁矩。
电子的自旋和轨道的磁矩都是分立的，因此自旋-轨道耦合也是分立的。
此时总磁矩是绕着总角动量在做进动，总角动量绕外磁场做进动。
当外磁场较弱时，自旋-轨道耦合没有被破坏。
正常与反常的区别在于正常塞曼效应中总自旋为零，于是就没那么多劈裂的能级。
外磁场比较强的时候，不是正常或反常塞曼效应，而是Paschen-Back效应。
自旋-轨道耦合被破坏，而显现出仍然是三条谱线的看起来像正常塞曼效应的实验现象。
但是这时候的原理和正常塞曼效应的原理并不一样。
正常和反常塞曼效应都是在磁场比较弱的情况下的，而这时候则是自旋-轨道角动量不再耦合。
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。
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。
经典力学解释塞曼效应
经典力学解释塞曼效应
塞曼效应是原子、分子或固体中的磁性物质在外磁场作用下出现的谱线分裂现象。
经典力学可以在一定程度上解释塞曼效应。
根据经典电动力学，电子在外磁场中会受到洛伦兹力的作用，在原子、分子或固体中运动的电子也不例外。
这个洛伦兹力会使得电子的运动轨迹发生改变，从而导致塞曼效应的出现。
具体来说，外磁场的存在会对电子的运动轨迹施加一个侧向的力。
这个力会使得电子的运动路径发生偏转，并且在几个可能的路径中选择其中一条。
根据经典力学，这些选择的路径对应于不同的能量值，因此会导致能级的分裂。
此外，经典力学还可以解释为什么磁场的强度会影响塞曼效应。
根据经典力学，磁场越强，电子偏转轨迹的半径也会越大，进而导致能级分裂的差异变大。
然而，需要注意的是，经典力学对于解释塞曼效应并不完全准确。
实际上，塞曼效应的解释需要借助于量子力学的理论，才能更加准确地描述电子在外磁场中的行为。
量子力学能够解释电子在不同能级之间跃迁的概率和选择性，从而更好地解释了塞曼效应的实验观测结果。
因此，尽管经典力学在一定程度上可以解释塞曼效应，但量子力学才是更为准确和完备的理论。
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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。