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
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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
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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。
简单塞曼效应和复杂塞曼效应
简单塞曼效应和复杂塞曼效应
塞曼效应是指在磁场中原子能级出现分裂的现象。
它分为简单塞曼效应和复杂塞曼效应两种。
一、简单塞曼效应
1. 磁场力线方向为z轴，磁场的强度为B。
2. 磁场下，原子中每个能级的简并度变成2J+1，J是原子的角动量量子数。
3. 由于原子的量子态$|j,m_j \rangle$实际上不是z轴是在这个方向上的，而是在xyz三个方向上的，因此在磁场下，量子态的简并度依赖于m_j。
4. 原子在磁场中的能级分裂成了2J+1个亚能级，存在Zeeman子的区分。
二、复杂塞曼效应
1. 独立于原子自旋，涉及到原子电子的轨道角动量和自旋角动量，并在磁场下分裂成多个Zeeman子。
2. 磁场下，原子的轨道角动量L和自旋角动量S向量是相互作用的，产生一个总角动量J=L+S。
3. 如此，原子的能级分裂是由J，L和S三个角动量组合来决定的。
4. 这意味着，能量水平的分裂将变得比简单塞曼效应复杂得多，由于J，L和S角动量之间的相互作用，出现了更多的为复杂塞曼效应的能级变化。
结论：
简单塞曼效应和复杂塞曼效应是两种不同的现象。
简单塞曼效应指的
是原子在磁场中能级的简并度和能级分裂数量的变化，影响到原子的光谱线。
而复杂塞曼效应涉及到原子的自旋、轨道角动量及其相互作用，导致原子能级的更加复杂的分裂模式。
在现代物理学研究中，SCP 理论被广泛采用，以便预测磁场下原子能级的变化。
塞曼效应的研究对于原子及分子的结构和运动学的理解有着关键的意义。
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
圆偏振光。
σ线和π线的偏振特性见上图,塞曼效应分为正常塞曼
效应和反常塞曼效应。汞绿线是6s7s 3s1能级到6s6p
3P 2能级跃迁产生的谱线。这两个能级的分裂情况及
对应的量子数M和g表示见下图。
• 上能级6s7s 3s1分裂为三个子能级，下能级6s6p 3P2分
裂为五个能级，选择定则允许的跃迁共有九种。因此，
实验步骤
1、按图调节光路，即以磁场中心到摄谱仪窗口中心的 等高线为轴，暂不放置干涉滤色片，光源通过聚光 镜以平行光入射法—珀标准具，出射光通过成像透 镜再进入摄谱仪,摄谱仪观察成像。
2、调节法-珀标准具的平行度使两平晶平行，即调节法 -珀标准具的三个螺丝，使左右上下移动入眼时对着 法—珀看到的干涉条纹形状不变。
实验目的
本实验通过高分辨率的分光器件法布里 -珀罗观 0 察5461 A 汞绿线在磁场中的分裂并测量分裂谱 线的波数差 等物理量。 1、加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理 学概念的理解 2、学习法布里-珀罗标准具在光谱测量中的 应用
实验原理
塞曼效应的产生是原子磁距与外加磁场 作用的结果。根据原子物理理论，原子中 的电子既作轨道运动又作自旋运动。原子 的总轨道磁距 L与总轨道角动量 pL 的关系为：
（B的单位取Gs）,L称为洛仑兹单位。磁量子数M 的选择定则为
M M 2 M 1 0 , 1
但是，并非任何两个能级的跃迁都是可能的。
当
J J1
,
M 2 0 M 1 0 时除外
①．当 M 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
原来的 谱线将分裂成九条谱线。分裂后的九条谱线
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塞曼效应
一、背景介绍
☆1896年8月，塞曼在探测磁场对谱线的影响的实验中发现，磁力作用于火焰时，火焰发出的光周期和频率发生了变化，钠双线光谱发生分裂。
一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，后来这种现象称为塞曼效应。
☆洛仑兹根据经典电子论解释了分裂为三条的正常塞曼效应
☆ 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
☆ 1912年，帕邢和拜克（E ．E ．A ．Back ）发现在极强磁场中，反常塞曼效应又表现为三重分裂，叫做帕邢－拜克效应
☆ 1921年，德国杜宾根大学教授朗德引进一因子g 代表原子能级在磁场作用下的能量改变比值
☆ 1925年，乌伦贝克与哥德斯密特提出了电子自旋的概念
☆ 1926年，海森伯和约旦引进自旋S ，从量子力学对反常塞曼效应作出了正确的计算
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。
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
塞曼效应的产生是由于原子的总磁矩（轨道磁矩和自旋磁矩）受外磁场作用的结果
1. 外磁场对原子能级的影响
具有总磁矩μJ 的体系, 在外磁场B 的作用下，由于绕外磁场B 的方向旋进而获得的附加能量ΔE 为：
（1）
式中，β为PJ 和B 的夹角。
μJ 或P J 在外磁场中取向是量子化的，则PJ 在外磁场方向的分量PJcos β 也是量子化的：
.cos(.)cos cos 2J
J J
E P B B e g P B m
μαβ∆=-=-=-J μB
M P J =βcos
（2）
J 一定时，磁量子数M 的取值为：-J ，-（J-1），……，（J-1），J ，共2J+1个数值 附加能量ΔE 的表达式：
玻尔磁子（3）
结论：无外场时的一个能级，在外磁场的作用下分裂成2J+1个能级，每个能级附加的能量由（3）式决定
2. Hg 原子绿光塞曼效应
Hg 原子绿光（546.1nm ）在磁场中的分裂是由6s7s （3S1）跃迁到6s6p （3P2）而产生的，为反常塞曼效应。
图1. (a) 横向和(b)纵向塞曼效应示意图
图2 Hg 原子绿光分裂规则图
两种不同的现象：
横向塞曼现象
B Mg B m
e Mg E B μ==∆2
垂直磁场B观察时，如图1(a)所示，π成分除原谱线外，分裂出2条分谱线，σ成分共分裂出6条分谱线
纵向塞曼现象
纵向（平行磁场B）观察时，如图1(b)所示，只剩下σ成分的6条分谱线
三、实验仪器
图3 实验装置图
图4 实验装置示意图
N、S：电磁铁的磁极；L1：会聚透镜；A、B：F—P标准具；P：偏振片；k：1/4波片
四、实验内容
⏹ 学习观察塞曼效应的方法及Fabry-Perot （简称P-F ）标准光具的使用。
⏹ 观察Hg 的546.1nm 谱线的横向和纵向塞曼效应分裂谱观察及随磁场强度变化规律。
⏹ 利用横向塞曼效应的π成分，距测定电子的荷质比。
电子荷质比e/m 的表达式为：
（4）
其中D 代表相应谱线直径（见图5）
五、最新进展
近年来在测量技术及应用方面的发展：
1）测量技术的改进：使用CCD 摄像和数码测量两种新型电子技术成功的解决了读数显微镜观测干涉条纹观测的不便及且误差大等问题
2）应用方面的发展之一：利用塞曼效应实验验证量子力学的微扰论
3）应用方面的发展之二：塞曼效应作为原子吸收分光光度计的背景校正，如塞曼效应石墨炉法
七、参考文献
[1]褚圣麟. 原子物理学[M] . 北京:高等教育出版社.
[2]杨福家. 原子物理学[M] . 北京:清华出版社.
[3]李敬林. 近代物理实验[M] . 北京:北方交通大学出版社,2003 ,8.
[4]林木欣. 近代物理实验教程[M] . 北京:科学出版社,1997 ,7.
[5]唐超群主编，近代物理实验教程。
华中科技大学物理系教材， 2008 ()()[]
2212’2‘22112221)(2k
k a b a b D D D D D D g M g M dB c m e --+--=-π。