正常塞曼效应与反常塞曼效应的比较1
大学物理 塞曼效应实验
实验 七 塞曼效应实验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)，这一现象称为塞曼效应。
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。
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。
这现象在以后的30年间一直困扰着物理学界，从而被称为反常塞曼效应。
1925年乌仑贝克和古兹米特为了解释反常塞曼效应和光谱线的双线结构，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根据之一。
普列斯顿(Preston)对塞曼效应实验的结果进行了深入研究，1898年发表了普列斯顿定则。
即同一类型的线系，具有相同的塞曼分裂。
龙格(Runge)和帕邢(Paschen)也进行了大量的实验研究，1907年发表了龙格定则。
即将所有塞曼分裂的图象，都可用正常塞曼效应所分裂的大小(做为一个洛仑兹单位)的有理分数来表示(见附注一)从他归纳钩结果中可以一目了然地看到所有塞曼分裂的图象和规律。
综上所述。
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。
该实验证实了原子具有磁矩、自旋磁矩和空间量子化，迄今仍是研究原子能级结构的重要手段之一。
第三章原子的精细结构
E2 E2 m j 2 g2 B B
'
反常塞曼 效应
帕刑-巴 克效应 原子态的 表示
E E1 m j1 g1B B
' 1
而
hv E2 E1
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目录
结束
第三章：原子的精细结构：电子的自旋
第五节：塞曼效应
E2' E2 m j 2 g2 B B， E1' E1 m j1 g1B B
第五节：塞曼效应 根据量子力学的计算，选择定则不仅对 量子数l ，j 提出了限制，对 mj 也提出了 限制。
磁场中的 能级分裂
mj 的选择定则是：
m j 0, 1
所以
'
m j 0 产生 线（E ∥B）
正常塞曼 效应 反常塞曼 效应 克效应
m j 1产生 线（E ⊥ B） 帕刑-巴
back
next
目录
结束
第三章：原子的精细结构：电子的自旋
back next 目录 结束
第三章：原子的精细结构：电子的自旋
第五节：塞曼效应
U m j g B B
—— mj有2j+1个值（mj=j，j-1，…-j），
即式 U= mj gμ B B 因为 mj 的不同，有 2j+1个不同的值
原来的一个能级
磁场中的 能级分裂
正常塞曼 效应 反常塞曼 效应
磁场中的 能级分裂
J LS
s
正常塞曼 效应 反常塞曼 效应
帕刑-巴 克效应
相应有一个总磁矩：
s l
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高二物理竞赛塞曼效应课件
11
Na原子5890埃和5896埃双线的塞曼效应
不考虑自旋 考虑自旋
2P3/2 3P
2P1/2
在磁场中
mj mj g 能级间隔
3/2 6/3
1/2 2/3 4/3
-1/2 -2/3 -3/2 -6/3
1/2 1/3 -1/2 -1/3
5. M 0 的跃迁，上下相对的Mg值相减； 6. M 1的跃迁，斜角位置的Mg值相减；
7. 把算得的M2 g2- M1 g1数值列在下一行，这些数值 乘以L，就是裂开后每条谱线与原谱线的波数差
4
格罗春图:
1D2——1P1
M 2 1 0 -1 -2
M2 g2 2 1 0 -1 -2
M1 g1
1 0 -1
7
3.反常塞曼效应
对于具有双重或多重结构的光谱线在磁场中的分裂情况
S 0, g2 1 g1 1
' [mj2 g2 mj1g1]L
(mj g)L
跃迁选择定则：mj 0, 1 (ΔJz＝0，00除外)
(mj g)L,
mj(g)L,
(mj g)L,
mj 1, mj 0, mj 1,
1 3
BB
2P3/ 2
s1 2
l 1
j3 2
g2
4 3
mj2
1 2
,
3 2
E
m j2 g2BB
[
2 3
,2]BB
9
2P1/2
2S1/2 借助格罗春图计算波数的改变：
mj mj2g2
1/2 -1/2 1/3 -1/3
mj1g1
1
-1
实验一 塞 曼 效 应
实验一塞曼效应塞曼效应实验是近代物理中的一个重要实验，它证实了原子具有磁矩和空间量子化，可由实验结果确定有关原子能级的几个量子数如M，J和g因子的值，有力地证明了电子自旋理论，各高等院校都普遍开设了此实验。
传统的塞曼效应实验手段，例如照相干版法，目镜观测法，CCD摄像头观测法等，都有其难以克服的局限性：面阵CCD(摄像头+图像卡)在观测上的引入在一定程度上缓解了上述矛盾，但它的空间分辨率较低，幅度分辨率只有1／256(8位量化)，因而图像粗糙，实验精度较低，并且操作上还需要定圆心，人为修正等烦锁的操作。
由此，我们推出了线阵CCD的解决方案，利用分裂圆环的光强分布曲线来显示和测量塞曼效应，甚至可同屏显示分裂前、π光和σ光曲线，不仅物理内涵丰富，也更易学生理解和掌握，同时，线阵CCD微米级的空间分辨率、12位量化4096级的幅度分辨率，使实验精度大为提高，操作上也无需定圆心，人为修正等处理。
本实验由硬件和软件（祥看说明书）两部分组成。
本套仪器的硬件部分主要由三个部分组成：CCD采集盒、计算机数据采集盒和成像透镜部分。
各部分连接示意图图1如下：图1仪器的硬件部分组成1．CCD采集盒的核心器件是一个数千像元的CCD线阵，它可以将照射在其上的光强信号转化为模拟电信号，实时送往计算机数据采集盒。
每一个CCD线阵具体的指标参数，请详见其CCD采集盒上的铭牌。
2．计算机数据采集盒将由CCD采集盒送来的光强模拟电信号经12位A／D转换后量化为4096级数字信号，交给ZEEMAN软件处理。
它通过USB接口与计算机相连。
3．成像透镜部分由遮光罩和成像透镜组成。
前端仪器产生的光信号经过成像透镜会聚，在CCD线阵上产生实像，从而进行光／电变换。
一、实验目的1．掌握塞曼效应理论，确定能级的量子数与朗德因子，绘出跃迁的能级图；2．掌握法布里-珀罗标准具的原理及使用；3．熟练掌握光路的调节：4．了解线阵CCD器件的原理和应用。
正常塞曼效应和反常塞曼效应
正常塞曼效应和反常塞曼效应
正常塞曼效应：
正常塞曼效应（normal Zeeman effect）是指在较弱的外磁场中，原子从基态跃迁到激发态，发射或吸收光谱线时受到外磁场的影响，导致光谱线位移和分裂的现象。
在正常塞曼效应中，原子的自旋和轨道角动量的矢量和总角动量的矢量方向在外磁场作用下将保持平行，能级间的能量差的大小将不会受到磁场的影响，因此能级分裂成的子能级能量差与磁场大小无关，其分裂的数目和谱线的极化程度，取决于自旋角动量和轨道角动量的大小和方向，以及外磁场方向的取向方式。
正常塞曼效应的分裂形状呈线性展开的方式，因此也叫线性分裂。
在反常塞曼效应的光谱中，各个分裂的谱线的极化程度难以通过对磁场方向的改变来改变。
因此，反常塞曼效应可以用来测量原子核中的电子自旋和轨道角动量，以及原子核内部的磁场分布。
此外，反常塞曼效应的光谱线分裂程度和分裂形状也与分子和晶体的电子结构、化学键以及分子内部磁场分布等相关。
因此，反常塞曼效应在化学、物理、天文学、材料科学等学科中得到了广泛的应用。
1-2塞曼效应
塞 曼 效 应赵旭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mc eB L π4/=)。
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。
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。
二、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L P 和轨道磁矩L μ以及自旋角动量S P 和自旋磁矩S μ在数值上有下列关系:L L P mce2=μ )1(+=L L P L（1） S S P mce=μ )1(+=S S P S 式中m e ,分别表示电子电荷和电子质量；S L ,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J P ,轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩μ,由于μ绕J P 运动只有μ在J P 方向的投影J μ对外平均效果不为零，可以得到J μ与J P 数值上的关系为：J J P meg2=μ （2） )1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g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。
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
13
偏振定则
当ΔM＝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。沿平行于磁场的方向观 察时，光强度为零，观察不到。 当ΔM＝±1时，产生σ线。沿垂直于磁场的方向观察时，得到 的是光振动方向垂直于磁场的线偏振光。沿平行于磁场的方 向观察时， σ线为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。旋转方向 由频率决定。
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4. 影响荷质比测量精确度的因素有哪些？ 23:48:16 物理科学与信息工程学院
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③ 利用测微目镜测量数据时要避免回程误差。 23:48:16 物理科学与信息工程学院
重点与难点
重点：理解塞曼效应的原理和法布里――珀
罗标准具分光测量微小波长差的原理。通过 观察实验现象加深对原子磁矩及空间量子化 等原子物理学概念的理解并测定电子荷质比。
难点：调整法布里――珀罗标准具严格平行
2 1
D
D2 2
已知d和B，计算M2g2-M1g1的大小，从塞曼分裂的照片中测出 各环直径，就可计算荷质比e/m的数值。
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注意事项
① 调整法布里-珀罗标准具时要注意定位螺丝调整幅度
一定不要太大，用力不要太猛，否则会损坏仪器 ② 给电磁铁加电压通电流时，所加电压电流一定要由小 变大，逐渐增加，否则有可能损害仪器。关电源时要 先将电流电压调至较小值再关闭电源
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谱线的微小波长差及测量
塞曼效应所分裂的谱线与原谱线间的波长差是很 小，以正常塞曼效应为例，波长差达到0.006nm,欲 分辨如此小的波长差，要求分光仪器的分辨率为105， 而多光束干涉的分光仪器，如法布里-珀罗（FabryPerot）标准具的分辨率是很高的，可达105～107， 采用它比较适宜。
和测量各级干涉圆环的直径。
塞曼效应
塞曼效应的量子力学分析摘要本论文将研究电子自旋磁矩与轨道磁矩耦合为总磁矩，在外磁场作用下引起的附加能量不同，造成能级分裂，从而导致光谱线的分裂的现象。
正常塞曼效应是总自旋为零时原子能级和光谱线在磁场中的分裂；反常塞曼效应是总自旋不为零的原子能级和光谱线在磁场中的分裂。
本文将主要以正常塞曼效应展开，主要讲述其发现史、种类、偏振分析、量子分析及其具体实例等几个方面来研究。
1塞曼效应的发现史法拉第是一位伟大的实验物理学家，他的一生对人类作了许多的贡献，最重要的是电磁感应现象的发现。
他坚持探索电与磁的关系，并对光与电磁之间的联系进行了许多探索。
19世纪末研究电磁和光之间的相互作用竟成了一个热门。
就在这个年代塞曼开始了他的科学生涯。
1893年他从麦克斯韦纪念法拉第的文章中读到过一段话，了解到对磁和光之间的联系所作的实验成了法拉第最后的工作。
于是塞曼坚持法拉第的研究。
塞曼认为法拉第之所以没有成功可能是因为议器不够完善，当时巳经有了很精密的光谱议和很强太的电磁铁，应该可以实现法拉第的思想。
于是他就运用了当时分辨本领最高的光谱仪—美国物理学家罗兰发朗的凹面光栅和鲁姆科夫制造的电磁铁。
电磁铁的磁极间燃烧氢氧焰，将石棉条沾上食盐，放在火焰中，用光谱议观察，可以看到钠的两根黄色的特征谱线D，(5896埃)和D (5890埃)。
他一边观察光谱，一边给电磁铁通电，当电路接通时，他注意到两根D 线都明显地变宽。
如果切断电流，光谱则恢复原状。
变宽现象的出现和消失都是瞬时的。
塞曼确证了这个现象以后，就想进一步去解释它。
在各种理论中，他选择了洛仑兹的电磁理论。
他将这个想法写信告诉洛仑兹教授，洛仑兹指出，如果这个理论用得正确，就应该有下列结果：从增宽的谱线边缘发出的光，沿磁力线方向观察应是圆偏振光；相反，如果从与磁力线成直角的方向观察，增宽了的钠谱线的边缘显示出是平面偏振光，与洛它兹的理论相符。
就这样塞曼不仅发现了塞曼效应，他的实验还帮助了J．J汤姆生发现了电子和洛仑兹的电磁理论。
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。
原子物理复习
原子物理复习题填空题1.各种原子的半径是不同的，但都具有相同的数量级，即 。
2.光谱从形状来区别，可分为 是分子所发出的、 是原子所发的、 是固体加热所发的光谱。
3.氢原子的光谱项T 等于2n R ，它与原子的内部能量E 的关系是 。
4.氢原子的电子只能在一系列一定大小的、彼此分隔的轨道上运动；这样的轨道我们说是 。
表达这些物理量的各公式中的n 称为 。
5.基态氢原子的电离电势是 伏，第一激发电势是 伏。
6.关于α粒子散射的实验与理论充分证明了 。
7.氢原子光谱的谱线系有在紫外区和可见区的 ；和三个红外区的 。
8.氢原子的电子只能在一系列一定大小的、彼此分隔的轨道上运动；这样的轨道我们说是 。
9.波长为1 A 的X 光光子的动量和能量各为 ， 。
10.经过10000伏特电势差加速的电子束的德布罗意波波长为 ，用该电压加速的质子束，其德布罗意波波长是 。
11.与实物粒子联系着的波为 ，关系式为 。
12.根据玻恩德布罗意波的统计解释，τd 体积中发现一个实物粒子的几率表达式为 ；几率密度为 ,粒子在整个空间各点出现的几率总和等于 。
13.德布罗意波函数必须满足的标准条件 。
14.同一个 在jj 耦合和LS 耦合中形成的原子态的数目 。
15.从实验的分析，已经知道碱金属原子的能级都是 的，足见电子自旋有 个取向。
16.碱金属原子的光谱分为四个线系，即 ， ， ， 。
17.通过对碱金属原子光谱精细结构的讨论，可得到这样一个结论：碱金属原子的s 能级是 ，其余所有p 、d 、f 等能级都是 。
18.实验的观察发现氦及周期系第二族的元素的光谱有相仿的结构，它们都有 套线系，即个主线系， 个辅线系等。
19.Be 原子的原子序数Z=4，它的基态的电子组态是 ，它们在LS 耦合下形成的原子态符号 ；它的第一激发态的电子组态是 ，它们在LS 耦合下形成的原子态符号 。
20.塞曼效应是在 中原子 的现象。
21.塞曼跃迁的选择定则是 。
正常塞曼效应和反常塞曼效应
正常塞曼效应和反常塞曼效应
正常塞曼效应和反常塞曼效应是物理学中的两个重要概念，它们分别描述了在磁场中原子或分子的能级结构发生的不同变化。
正常塞曼效应是指在外加磁场下，原子或分子的能级结构发生分裂，能级间的距离与磁场的强度成正比。
这种效应是由于原子或分子中的电子在磁场中受到洛伦兹力的作用，导致它们的轨道和自旋磁矩发生变化，从而使得能级结构发生分裂。
正常塞曼效应在研究原子和分子的磁性、光谱学等领域有着广泛的应用。
反常塞曼效应则是指在某些情况下，原子或分子的能级结构发生反常的分裂，能级间的距离与磁场的强度成反比。
这种效应是由于原子或分子中的电子在磁场中受到的作用力不仅包括洛伦兹力，还包括其他的相互作用力，从而导致能级结构的变化与正常塞曼效应不同。
反常塞曼效应在研究原子和分子的光谱学、磁性、量子力学等领域也有着重要的应用。
正常塞曼效应和反常塞曼效应的研究不仅有助于深入理解原子和分子的结构和性质，还为磁共振成像、核磁共振等现代科技的发展提供了理论基础。
同时，这些效应的研究也为我们认识自然界的奥秘提供了新的思路和方法。
正常塞曼效应和反常塞曼效应是物理学中的两个重要概念，它们描述了在磁场中原子或分子的能级结构发生的不同变化。
这些效应的
研究不仅有助于深入理解原子和分子的结构和性质，还为现代科技的发展提供了理论基础。
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。
实验58 塞曼效应
实验58 塞曼效应1896年塞曼(Pieter Zeeman1865—1943荷兰物理学家)发现把光源置于足够强的磁场中时，光源发出的每一条谱线都分裂为若干条偏振化谱线，分裂的条数随能级类别不同而不同，这种现象称为塞曼效应。
早年把那些谱线分裂为三条，而裂距按波束计算正好等于一个洛仑兹单位的现象叫做正常塞曼效应（洛仑兹单位L=eB/4πmc）。
正常塞曼效应用经典理论就能给予解释。
实际上大多数物质的谱线在磁场中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仑兹单位，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。
从塞曼效应得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。
塞曼效应证实了原子具有磁矩与空间取向量子化，有力地支持了光的电磁理论，至今仍然是考察原子结构的最有效的方法，并且该效应在现代激光技术中也有着重要应用。
【实验目的】1．掌握法布里-珀罗标准具的原理及使用，CCD摄像器件在图像传感中的应用。
2．通过对Hg546.1nm光谱线的塞曼效应的研究，观察磁场对谱线的影响。
3．掌握塞曼效应理论，测定电子的荷质比。
【实验仪器】WPZ—Ⅲ型塞曼效应仪【实验原理】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）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: （2）由于J一定时，M＝J，J－1，…－J。
所以由式1和2式可知，原子在外磁场中，每个能级都分裂为2J＋1个子能级。
相邻子能级的间隔为波尔磁子μB＝9.2741×10-24J·T-1。
理论解释塞曼效应
分类号编号本科生毕业论文题目：理论解释塞曼效应学院：物理学与信息科学学院**：**专业：物理学学号：271040343研究类型：研究综述****：***提交日期：2011年5月15日原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的论文是在指导教师的指导下独立进行研究所取得的成果。
学位论文中凡是引用他人已经发表或未经发表的成果、数据、观点等均已明确注明出处。
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论文作者签名：年月日论文指导教师签名：目录摘要 (2)关键词 (2)Abstract (2)Key words (3)引言 (4)1．塞曼效应的实验现象 (4)1.1正常塞曼效应的实验现象 (4)1.2．反常塞曼效应的实验现象 (5)2．塞曼效应的理论解释 (5)2.1. 原子的总磁矩 (5)2.2正常塞曼效应的理论解释 (7)2.3 反常塞曼效应的理论解释 (8)2.4塞曼效应谱线偏振成分的解释 (8)2.4.1 角动量的变化 (8)2.4.2 σ型偏振的解释 (9)2.4.3 π型偏振性的解释 (11)3 结束语 (11)参考文献 (12)致谢 (13)理论解释塞曼效应张恒(天水师范学院物信学院甘肃天水 741001)摘要：文章从塞曼效应现象切入，依据原子自旋角动量是否为0，将塞曼效应分为正常塞曼效应和反常塞曼效应，其中将总自选角动量为零的塞曼效应称为正常塞曼效应，将总自选不为零的塞曼效应称为反常塞曼效应。
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，并考虑到原子辐射光子时须遵循角动量守恒定律对塞曼效应辐射成分偏振性做了相应的理论解释，从而较全面的对塞曼效应做了理论解释。
关键词：塞曼效应；原子磁矩；谱线分裂；偏振性The theoretical interpretations to thezeeman effect phenomenonMa Junliang(Colleage of Physics and Information Science Technology, Tianshui NormalUniversity,Tianshui,Gansu ,741001,China)Abstract: This article start with the zeeman effect phenomenon , Based on whether atomic spin angular momentum is zero , zeeman effect will be divided into normal zeeman effect and abnormal zeeman effect , which total spin angular momentum is zero called normal zeeman effect, called another abnormal zeeman effect, Then according to the affect of magnetic field to magnetic moment of atoms, and electron transition must abided by the role of transition choice , to explain the phenomenon of spectrum line spacing multiplied and spectrum number change of normal zeeman effect and abnormal zeeman effect ,then considering the atoms Radiation photons must follow the conservation of angular momentum, explain the Radiation ingredientspolarized of zeeman effect , thus a comprehensive theoretical interpretation of zeeman effect do.Key words:zeeman effect；atomic magnetic moment；spectral lines split；polarized引言对于塞曼效应，在物理学史上是一个非常著名的实验，自1896年开始，塞曼逐渐发现处在强磁场中的光源由于受到磁场的作用，其所发出的光谱线会分裂成几条，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，人们称其为正常塞曼效应现象，对此洛伦兹用经典电磁理论做了解释。
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。
塞曼效应和反塞曼效应
塞曼效应和反塞曼效应塞曼效应和反塞曼效应，听上去是不是有点高大上？它们的核心原理可以说是很简单，咱们来聊聊这两个现象，保证你听了之后恍若置身科学实验室，既轻松又有趣。
什么是塞曼效应呢？想象一下，当你把一束光通过一个强磁场的时候，光的颜色会变得不一样。
这就好像你在开派对，DJ把音乐调高了，突然每个人都开始在不同的节奏上摇摆。
光的频率在磁场的作用下分裂成几个不同的频率，就像每个舞者找到自己的舞步。
科学家们观察到，光谱线会分裂成几条，简直就是光的“分裂人格”。
这可不是小事哦，这个现象不仅有趣，还能帮助我们了解原子和分子里面发生了什么。
真是神奇，光线在舞动，科学家们在旁边看得津津有味，简直就是一个光的盛宴。
再说说反塞曼效应，这个名字听起来是不是有点拗口？其实它跟塞曼效应是一对双胞胎，只不过性格有点不同。
想象一下，反塞曼效应就像是那种平时温文尔雅的人，遇到磁场后，反而表现得更温柔。
这时候，光谱线的变化不是那么明显，甚至还可能变得更紧凑，像是把所有的舞者聚在一起，跳起了团体舞。
这个现象在一些特定的条件下出现，尤其是在弱磁场中。
你会发现，光在这个情况下并没有大幅度的分裂，反而像是缩小了自己的舞台，温和地展现自己。
科学家们通过这些现象了解了电子的行为，真是大开眼界。
就像我们在生活中，通过观察别人的反应，能够洞察他们的内心。
在光的世界里，塞曼效应和反塞曼效应帮助我们看清了原子的真实模样。
这就像打开了一个新的窗户，让我们能看到原本隐藏的精彩。
你有没有想过，科学其实就像是一场探险，发现新的现象，理解宇宙的奥秘，真是让人热血沸腾。
要是咱们的日常生活也能像塞曼效应和反塞曼效应那样充满变化，那该多好啊！想象一下，在工作中，团队合作的默契就像光的频率一样，在不同的情况下分裂出更多的可能性。
大家的意见不一，就像是那强磁场，让每个人的想法都跳出了框架。
我们需要的是沟通和理解，让每个人都能在这场“舞会”中找到自己的位置。
这种变化无处不在，就在我们的生活、工作和学习中。
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正常的塞曼效应和反常塞曼效应的差别
1 从磁场相对强弱来比较正常塞曼效应和反常塞曼效应。
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n , l , s , ml , ms。
原子因受外磁场作用而引起的能量变化为:△E = μJ ·B = ( ml + 2 ms)μBB ,所以新的光谱线与原来谱线的频率差为: △v = △( ml + 2 ms) L ,由选择定则△ml = 0 , ±1 , △ms = 0 ,于是可得△v = (0 , ±1) L。
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。
2 从朗德g 因子来比较正常塞曼效应和反常塞曼效应。
下面针对两能级朗德g 因子的不同取值讨论正常塞曼效应和反常塞曼效应。
如前所述采用洛仑兹单位时在磁场中谱线的频率改变可写为: △v = ( M2 g2 - M1 g1) L
(1) g1 = g2 = 1 时. 即始末二态的g 都等于1 ,这种情况将发生正常塞曼效应. 因为此时△v = △ML ,而由选择定则知△M = 0 , ±1 ,所以分裂的谱线只有三条,且相邻谱线的间距相等,是正常塞曼效应。
从原子能级结构可以这样来理解: g = 1 , 必是S = 0 ,则L =J ,对应的原子外层必有偶数个电子,而且自旋成对相反。
S= 0 ,2S + 1 = 1 ,对应谱项是单项,所以谱线属于单线系。
故在外磁场中只分裂出三条谱线,即产生正常塞曼效应。
(2) g1 = g2 ≠1 时,同样也产生正常塞曼效应。
因为△v = △MgL , △M = 0 , ±1. 所以△v 只有3 个值,产生正常塞曼效应。
(3) g1 ≠ g2 时,且M1 , M2 所取的值各不相同,则由数学知识可知△v 不只3 个值,可能会更多。
例2P3/ 2→2 S1/ 2 , △( Mg) = -4/3 , -2/3 ,2/3 ,4/3 有4 个值,所以产生反常塞曼效应。
(4) g 取两个特别值时,不发生塞曼效应。
①g = 1 +0/0 , J = 0 , S =L 就属于这种情况. g 无确定值,但J 既为0 ,则μJ 也必为0 ,因此△E = 0 ,这种能级不分裂,光谱项为单项,如1S0
②g = 0. 有时J 不等于0 ,也可使g = 0 ,如L = 2 ,S =3/2, J =1/2 的4 D1/ 2项就是这种情况,因而在磁场中不发生分裂。
3 从量子力学微扰论来比较正常塞曼效应和反常塞曼效应。
就体系的哈密顿算符而言,具有磁矩的原子在外磁场强、弱两种不同情况而表现出来的两种不同物理现象,其本质上是一样的,都可以用量子力学的微扰理论加以解释。
原子体系在外场中的哈密顿算符为:
H ^=p2/2μ-Ze2/4πε0 r+eB/2μ(L^z + 2S ^z) +e2 B2/8μ ( x2 + y2) +Ze2/4πε02μ2 c2 r3S ^·L^-p^ 4/8μ3 c2 +Ze2/π¶4πε02μ2 c2 r2δ( r)
当处于足够强的磁场中时,电子的轨道磁矩和自旋磁矩分别与磁场耦合,而H^中电子的自旋- 轨道耦合项等最后三项与第四项相比可以略去. H^中第三、四项的数量级为: eB2/μ(L^z + 2S ^z) ～ eB ¶/2μ ( m + 2 ms)
由磁量子数表征的能级裂距大小为eB ¶/2μ =μBB = 518 ×10 - 5 B电子伏特,故强度为几个特斯拉的磁场就可以认为足够强了. 逆磁场项e2 B2/8μ ( x2 + y2) 也可略去,因为e2 B2/8μ ( x2 + y2) ～ e2 B2/8μ an
2 与上两式之比的数量级为:e2 B/28μ an2/eB/2μ¶ = 10 - 6 B ,而实验室通常所用的磁场强度大小B 不超过10 特斯拉. 所以可得体系的哈密顿算符为:
H ^=p2/2μ-Ze2/4πε0 r+eB/2μ(L^z + 2S ^z)
取体系的一个力学量完全集合为{ H0 ,L^ 2 ,L^z ,Sz},其中H^0 =p2/2μ-Ze2/4πε0 r.将体系哈密顿符H^0的本征矢量取为这个力学量完全集合的共同本征矢量| n1 mms > , 算符H^对这个本征矢量| n1 mms > 作用,H ^′= eB/2μ(L^z + 2S ^z)当作微扰项就可以得到相应的本征值
Enmm= En0 +eB/2μ( m + 2 ms) ¶.
其中En0 是玻尔能级,在强磁场中发生分裂,对的简并仍保留,对m 、ms 的简并解除。
若磁场足够弱,则H^中电子的自旋- 轨道耦合作用等最后三项与电子的轨道磁矩和自旋磁矩与磁场的耦合作用项相比很大,相对来说前者是主要的,则可以近似地在氢原子或类氢离子能级精细结构的基础上,再将后者当作微扰项,略去逆磁项。
H ^0 = p2/2μ- Ze2/4πε0 r+ Ze2/4πε02μ2 c2 r3S ^·L^- p^ 4/8μ3 c2 + Ze2π¶/24πε02μ2 c2δ( r)
H ^′= eB/2μ(L^z + 2S ^z)
则相应的本征值为:
Enljmj= Enj0 + < nlsjmj|eB/2μ(L^z + 2S ^z) | nlsjmj > = Enj0 + mjgμBB
可见在足够弱的磁场中,原子定态的精细结构能级Enj0 对l 的简并解除,并且每一个nlj子能级再分裂为2 j + 1个子能级。
由上分析可以看出正、反常塞曼效应中,只是由于B 值的大小对能量影响大小的不同,而所选取的基态本征函数不同,但两者的理论本质是一样的,都可以用量子力学的微扰论进行较好的解释。