1、塞曼效應的歷史旅程摘要：塞曼效應是物理學史上一個著名的實驗。荷蘭物理學家塞曼在1896年發現把產生光譜的光源置于足夠強的磁場中，磁場作用于發光體使光譜發生變化，一條譜線即會分裂成幾條偏振化的譜線，這種現象稱為塞曼效應。塞曼效應是法拉第磁效致旋光效應之后發現的又一個磁光效應。這個現象的發現是對光的電磁理論的有力支持，證實了原子具有磁矩和空間取向量子化，使人們對物質光譜、原子、分子有更多了解，特別是由于及時得到洛侖茲的理論解釋，更受到人們的重視，被譽為繼X射線之后物理學最重要的發現之一。1902年，塞曼與洛侖茲因這一發現共同獲得了諾貝爾物理學獎（以表彰他們研究磁場對光的效應所作的特殊貢獻）。關鍵詞

2、：塞曼效應 光譜分裂 磁場 塞曼效應（Zeeman effect）是原子的光譜線在外磁場中出現分裂的現象。塞曼效應是1896年由荷蘭物理學家塞曼發現的.他發現，原子光譜線在外磁場發生了分裂。隨后洛侖茲在理論上解釋了譜線分裂成3條的原因。這種現象稱為“塞曼效應”。進一步的研究發現，很多原子的光譜在磁場中的分裂情況非常復雜，稱為反常塞曼效應。完整解釋塞曼效應需要用到量子力學，電子的軌道磁矩和自旋磁矩耦合成總磁矩，并且空間取向是量子化的，磁場作用下的附加能量不同，引起能級分裂。在外磁場中，總自旋為零的原子表現出正常塞曼效應，總自旋不為零的的原子表現出反常塞曼效應。塞曼效應是繼1845年法拉第效應和1

3、875年克爾效應之后發現的第三個磁場對光有影響的實例。塞曼效應證法拉第實了原子磁矩的空間量子化，為研究原子結構提供了重要途徑，被認為是19世紀末20世紀初物理學最重要的發現之一。利用塞曼效應可以測量電子的荷質比。在天體物理中，塞曼效應可以用來測量天體的磁場。<塞曼效應前后之論文或實驗>1845年法拉第：將平面偏振光通過強磁場作用下的玻璃，發現光的偏振面發生旋轉后來進一步確定這是許多物質具有的普通性質。1875年克爾電光效應：克爾發現玻璃片在強電場下對光有雙折射的作用。1876年克爾磁光效應：平面偏振光垂直射在電磁鐵的磨光電極上時，反射得到的光變為橢圓偏振光。1897年美國的曼克爾遜

4、：用他自己發明的干涉儀觀察到光譜線在磁場中分裂為二重線。后來曼克爾遜又發明了分辨更高的階梯光柵（在1899年），獲得了更精細的結果。1898年英國人普列斯頓緊接著對塞曼效應做了深入的研究工作。他發表的論文中詳細說明了各種磁滯分裂圖像，并且指出洛倫茲理論不能完全解釋塞曼效應。又進一步對一些元素的塞曼圖像進行比較。而得出普列斯頓定律：同一類型的譜系，塞曼圖像具有同樣的特征。這條定律對光譜分析有重要意義，因為由此可以判定譜線的歸屬。1907年德國人龍格發表論文：龍格列舉了大量數據，說明磁滯分裂之間存在某種共同的規律。1912年帕邢拜克效應：帕邢和拜克發現在極強磁場中，反常塞曼效應又表現為三重分裂。1

5、921年德國杜寶根大學教授朗德發表題為：論反常塞曼效益應的論文，他引進一因子g代表原子能級在磁場作用下的能量改變比值，這一因子只與能級的量子數有關。1925年烏倫貝克與哥德斯密特為了解釋塞曼效應和復雜譜線提出了電子自旋的概念。1926年海森堡和約旦引進自旋s，從量子力學對反常塞曼效應作出了正確的計算。由此可見，反常塞曼效應的研究推動了量子理論的發展。<塞曼效應原理>磁矩在外磁場中受到的作用(1)     原子總磁矩在外磁場中受到力矩的作用其效果是磁矩繞磁場方向旋進，也就是總角動量（PJ）繞磁場方向旋進。(2)   

6、;  磁矩在外磁場中的磁能由于或在磁場中的取向量子化，所以其在磁場方向分量也量子化： 原子受磁場作用而旋進引起的附加能量M為磁量子數g為朗道因子，表征原子總磁矩和總角動量的關系，g隨耦合類型不同（LS耦合和jj耦合）有兩種解法。在LS耦合下：其中：L為總軌道角動量量子數S為總自旋角動量量子數J為總角動量量子數M只能取J，J-1，J-2 -J（共2J+1）個值即E有(2J+1)個可能值。無外磁場時的一個能級，在外磁場作用下將分裂成（2J+1）個能級，其分裂的能級是等間隔的，且能級間隔<塞曼分裂譜線與原譜線關系> (1)     基本出

7、發點：分裂后譜線與原譜線頻率差由于為方便起見，常表示為波數差定義稱為洛侖茲單位   <塞曼分裂譜線的偏振特征>一、塞曼躍遷的選擇定則為：M=0 時為成份（型偏振）是振動方向平行于磁場的線偏振光，只有在垂直于磁場方向才能觀察到，平行于磁場方向觀察不到；但當J=0時，M2=0到M1=0的躍遷被禁止。當M=±1時，為成份，型偏振垂直于磁場，觀察時為振動垂直于磁場的線偏振光。平行于磁場觀察時，其偏振性與磁場方向及觀察方向都有關：沿磁場正向觀察時（即磁場方向離開觀察者：U），M= +1為右旋圓偏振光（+偏振），M= -1為左旋圓偏振光（-偏振）；也即，

8、磁場指向觀察者時： M= +1為左旋圓偏振光，M= -1為右旋圓偏振光。二、分析的總思路和總原則：在輻射的過程中，原子和發出的光子作為整體的角動量是守恒的。原子在磁場方向角動量為在磁場指向觀察者時：，當M= +1時，光子角動量為，與同向，電磁波電矢量繞逆時針方向轉動，在光學上稱為左旋圓偏振光。M= -1時，光子角動量為，與反向，電磁波電矢量繞順時針方向轉動，在光學上稱為右旋圓偏振光。例：Hg 5461Å譜線，6S7S3S1 6S6P3P2能級躍遷產生 分裂后，相鄰兩譜線的波數差 <實驗方法>一、觀察塞曼分裂的方法塞曼分裂的波長差很小由于 要觀

9、察如此小的波長差，用一般的棱鏡攝譜儀是不可能的，需要用高分辨率的儀器，如法布里珀羅標準器（FP標準具）。FP標準具由平行放置的兩塊平面板組成的，在兩板相對的平面上鍍薄銀膜和其他有較高反射系數的薄膜。兩平行的鍍銀平面的間隔是由某些熱膨脹系數很小的材料做成的環固定起來。若兩平行的鍍銀平面的間隔不可以改變，則稱該儀器為法布里珀羅干涉儀。標準具在空氣中使用時，干涉方程（干涉極大值）為標準具有兩個特征參量自由光譜范圍和分辨本領。二、自由光譜范圍的物理意義：表明在給定間隔圈原度為d的標準具中，若入射光的波長在+間（或波數在間）所產生的干涉圓環不重疊，若被研究的譜線波長差大于自由光譜范圍，兩套花紋之間就要發

10、生重疊或錯級，給分析帶來困難，因此在使用標準具時，應根據被研究對象的光譜波長范圍來確定間隔圈的厚度。三、分辨本領：（）對于FP標準具N為精細度，兩相鄰干涉級間能夠分辨的最大條紋數R為反射率，R一般在90%（當光近似于正入射時） 塞曼效應實驗作為物理學上著名的實驗，證實了原子具有磁矩和空間取向的量子化，可由實驗結果測定塞曼分裂的波數差及電子的比荷。塞曼效應實驗一般采用測微目鏡測量不同級次干涉圓環的直徑來計算波數差，以得到特定磁感應強度下光譜能級分裂寬度及其與磁感應強度的正比關系。但是這種傳統的實驗手段在測量精度方面有很大的局限性，比如受實驗者主觀因素的影響，測微目鏡的叉絲很難精確地與干涉圓環重合，存在較大的人為誤差。一方面為了更好地在實驗中減小誤差，另一方面為了在傳統實驗中引入現代化的測量手段，近年來各高校紛紛利用CCD圖像采集技術改進傳統實驗，塞曼效應實驗系統