塞曼效應(yīng)的歷史旅程

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

2、：塞曼效應(yīng) 光譜分裂 磁場 塞曼效應(yīng)（Zeeman effect）是原子的光譜線在外磁場中出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象。塞曼效應(yīng)是1896年由荷蘭物理學(xué)家塞曼發(fā)現(xiàn)的.他發(fā)現(xiàn)，原子光譜線在外磁場發(fā)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(xiàn)象稱為“塞曼效應(yīng)”。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，很多原子的光譜在磁場中的分裂情況非常復(fù)雜，稱為反常塞曼效應(yīng)。完整解釋塞曼效應(yīng)需要用到量子力學(xué)，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(xiàn)出正常塞曼效應(yīng)，總自旋不為零的的原子表現(xiàn)出反常塞曼效應(yīng)。塞曼效應(yīng)是繼1845年法拉第效應(yīng)和1

3、875年克爾效應(yīng)之后發(fā)現(xiàn)的第三個(gè)磁場對光有影響的實(shí)例。塞曼效應(yīng)證法拉第實(shí)了原子磁矩的空間量子化，為研究原子結(jié)構(gòu)提供了重要途徑，被認(rèn)為是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。利用塞曼效應(yīng)可以測量電子的荷質(zhì)比。在天體物理中，塞曼效應(yīng)可以用來測量天體的磁場。<塞曼效應(yīng)前后之論文或?qū)嶒?yàn)>1845年法拉第：將平面偏振光通過強(qiáng)磁場作用下的玻璃，發(fā)現(xiàn)光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)后來進(jìn)一步確定這是許多物質(zhì)具有的普通性質(zhì)。1875年克爾電光效應(yīng)：克爾發(fā)現(xiàn)玻璃片在強(qiáng)電場下對光有雙折射的作用。1876年克爾磁光效應(yīng)：平面偏振光垂直射在電磁鐵的磨光電極上時(shí)，反射得到的光變?yōu)闄E圓偏振光。1897年美國的曼克爾遜

4、：用他自己發(fā)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(fā)明了分辨更高的階梯光柵（在1899年），獲得了更精細(xì)的結(jié)果。1898年英國人普列斯頓緊接著對塞曼效應(yīng)做了深入的研究工作。他發(fā)表的論文中詳細(xì)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(yīng)。又進(jìn)一步對一些元素的塞曼圖像進(jìn)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?yàn)橛纱丝梢耘卸ㄗV線的歸屬。1907年德國人龍格發(fā)表論文：龍格列舉了大量數(shù)據(jù)，說明磁滯分裂之間存在某種共同的規(guī)律。1912年帕邢拜克效應(yīng)：帕邢和拜克發(fā)現(xiàn)在極強(qiáng)磁場中，反常塞曼效應(yīng)又表現(xiàn)為三重分裂。1

5、921年德國杜寶根大學(xué)教授朗德發(fā)表題為：論反常塞曼效益應(yīng)的論文，他引進(jìn)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(shù)有關(guān)。1925年烏倫貝克與哥德斯密特為了解釋塞曼效應(yīng)和復(fù)雜譜線提出了電子自旋的概念。1926年海森堡和約旦引進(jìn)自旋s，從量子力學(xué)對反常塞曼效應(yīng)作出了正確的計(jì)算。由此可見，反常塞曼效應(yīng)的研究推動了量子理論的發(fā)展。<塞曼效應(yīng)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(jìn)，也就是總角動量（PJ）繞磁場方向旋進(jìn)。(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(jìn)引起的附加能量M為磁量子數(shù)g為朗道因子，表征原子總磁矩和總角動量的關(guān)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(shù)S為總自旋角動量量子數(shù)J為總角動量量子數(shù)M只能取J，J-1，J-2 -J（共2J+1）個(gè)值即E有(2J+1)個(gè)可能值。無外磁場時(shí)的一個(gè)能級，在外磁場作用下將分裂成（2J+1）個(gè)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(guān)系> (1)     基本出

7、發(fā)點(diǎn)：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(shù)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(shí)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(dāng)J=0時(shí)，M2=0到M1=0的躍遷被禁止。當(dāng)M=±1時(shí)，為成份，型偏振垂直于磁場，觀察時(shí)為振動垂直于磁場的線偏振光。平行于磁場觀察時(shí)，其偏振性與磁場方向及觀察方向都有關(guān)：沿磁場正向觀察時(shí)（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(shí)： 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(fā)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(shí)：，當(dāng)M= +1時(shí)，光子角動量為，與同向，電磁波電矢量繞逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，在光學(xué)上稱為左旋圓偏振光。M= -1時(shí)，光子角動量為，與反向，電磁波電矢量繞順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，在光學(xué)上稱為右旋圓偏振光。例：Hg 5461Å譜線，6S7S3S1 6S6P3P2能級躍遷產(chǎn)生 分裂后，相鄰兩譜線的波數(shù)差 <實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)器（FP標(biāo)準(zhǔn)具）。FP標(biāo)準(zhǔn)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(shù)的薄膜。兩平行的鍍銀平面的間隔是由某些熱膨脹系數(shù)很小的材料做成的環(huán)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(biāo)準(zhǔn)具在空氣中使用時(shí)，干涉方程（干涉極大值）為標(biāo)準(zhǔn)具有兩個(gè)特征參量自由光譜范圍和分辨本領(lǐng)。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(biāo)準(zhǔn)具中，若入射光的波長在+間（或波數(shù)在間）所產(chǎn)生的干涉圓環(huán)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(fā)

10、生重疊或錯(cuò)級，給分析帶來困難，因此在使用標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)，應(yīng)根據(jù)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(lǐng)：（）對于FP標(biāo)準(zhǔn)具N為精細(xì)度，兩相鄰干涉級間能夠分辨的最大條紋數(shù)R為反射率，R一般在90%（當(dāng)光近似于正入射時(shí)） 塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)作為物理學(xué)上著名的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了原子具有磁矩和空間取向的量子化，可由實(shí)驗(yàn)結(jié)果測定塞曼分裂的波數(shù)差及電子的比荷。塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)一般采用測微目鏡測量不同級次干涉圓環(huán)的直徑來計(jì)算波數(shù)差，以得到特定磁感應(yīng)強(qiáng)度下光譜能級分裂寬度及其與磁感應(yīng)強(qiáng)度的正比關(guān)系。但是這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段在測量精度方面有很大的局限性，比如受實(shí)驗(yàn)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(huán)重合，存在較大的人為誤差。一方面為了更好地在實(shí)驗(yàn)中減小誤差，另一方面為了在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中引入現(xiàn)代化的測量手段，近年來各高校紛紛利用CCD圖像采集技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)