塞曼效应——精选推荐

第 1 页 共 12 页 塞曼效应

一、实验目的

1. 利用高分辨光谱仪器法布里—珀罗（Fabry—Perot）标准具研究汞546.1nm光谱

线的塞曼（Zeeman）效应，并测量塞曼分裂的波长差；

2. 学习用光谱学的方法，测定电子比荷me的值。

二、实验原理

1862年，法拉第（M.Faraday）试图观察磁场对光谱线的影响，由于所用仪器分

辨率小而未有所获。1896年塞曼（P.Zeeman）使用强磁场和精密的光谱仪器，在垂

直于磁场方向观察（横效应），发现在磁场作用下，镉原子光谱中波数为v~的一条谱线分

裂为vv~~、v~、vv~~三条平面偏振化谱线的现象。中间一条波数未变化的谱线，

其电矢量平行于磁场，称为成分，分裂的两条谱线的电矢量垂直于磁场，称为成分；

当沿着平行于磁场方向观察（纵效应）时，只能见到vv~~与vv~~两条左旋和右旋

的圆偏振光，成分则不出现，人们习惯把以上现象称为正常塞曼效应。

进一步根据量子理论研究发现当自旋量子数0S时，只有原子轨道磁矩和磁场相

互作用，这种情况产生正常塞曼效应。但是如果自旋量子数0S，且磁场不太强时，

原子的轨道磁矩与自旋磁矩先耦合再和磁场作用，从而会出现谱线分裂多于三条的情况，

这就是反常塞曼效应。如果磁场强度逐渐增强，原子的轨道磁矩与自旋磁矩分别和磁场

作用，反常塞曼效应又转变为正常塞曼效应，复杂的分裂图形变为简单的洛伦兹

（Lorentz）三垂线，此现象叫磁光转变或帕邢—巴克（Paschen—Back）效应。

1. 原子的总磁矩与总角动量的关系

在忽略核磁矩的情况下，原子的总磁矩等于电子的轨道磁矩L

与电子自旋磁矩S

之和，分别由轨道角动量LP

和自旋角动量SP产生。它们之间的关系为LLP

me

e2和SSP

me

e（如图1所示）。按量子力学)1(LLP

L，)1(SSP

S，第 2 页 共 12 页 SL，分别为轨道量子数和自旋量子数。由LP

与SP

合成的角动量记为JP

，JP

引起的磁

矩为J

。则原子的总磁矩为

JJPg

me

g

B

e2

 （1）

)1(JJPJ，SLSLSLJ，，，1， 式中eme、分别为电子电

量和质量，2/h为约化普朗克常量，

eeB42meh

me



称为玻尔磁子。g为朗

德（Landeˊ）因子，按LS耦合，

12111

1





JJSSLLJJ

g，它表征了原

子总磁矩与总角动量的关系，也决定了分裂后的能级在磁场中的裂距。

2. 磁矩在外磁场B

中的能量

由量子力学，在外磁场中，JJP、的空间取向都是量子化的。JP

在外磁场方向上

的投影为：MP

Jcos，JJJM，，，1，称为磁量子数，相应的总磁矩J

在外磁场方向上的投影为：

BcoscosMg

JJ （2）

JP

SP

LP

S

L



J

图1 JP

与J

的矢量关系图

 B

J

JP



图2 J

在B

中的进动示意图 第 3 页 共 12 页 原子总磁矩在外磁场中受力矩BL

J

的作用，如图2所示，使J

绕磁场方向

作进动。引起的附加能量为：

BMgBBBE

zJJBcos （3）

（3）式说明由于磁场的作用，使原来的一个能级，分裂成12J个间隔为Bg

B的能

级，因为g因子对不同能级有不同的值，则不同原能级分裂出的子能级间隔也不相同。

3. 塞曼效应

无外磁场时，设频率为的光谱线是由原子的上能级2E跃迁到下能级1E所产生，

则有 12EEh （4）

在外磁场的作用下，上下两能级各获得附加能量12EE、，因此每个能级各分裂

成12

2J和12

1J个子能级，这样，上下两个子能级之间的跃迁，将发出频率为的

谱线，则有：

BgMgMhEEEEh

B11221122

所以分裂后的谱线与原谱线的频率差为：



emeB

gMgMhBgMgM



4/

1122B1122 如果用波数

c

1~来表示，则有：



cmeB

gMgM

e

4~~~

1122 （5） 规定式中

cmeB

e4为裂距的单位，称为洛伦兹单位，并以L表示，故（5）式可写为：

LgMgM

1122~ （6）

式中L正是正常塞曼效应所分裂的裂距。

上下两能级之间发生跃迁时M的选择定则与偏振定则如下： 第 4 页 共 12 页 A. 选择定则：0

12MMM（当0J时，0M禁止跃迁）和1M

B. 偏振定则：见表一，表中K是光波传播方向，B是外磁场方向

表一

BK（横向） BK//（纵向）

0M 直线偏振光（） 无光

1M 直线偏振光（） 右旋圆偏振光（）

1M 直线偏振光（） 左旋圆偏振光（）

4. 汞绿线的塞曼效应

本实验是以汞的放电管为光源，研究汞的546.1nm谱线的塞曼分裂。这条谱线是

从13S（6s7s）到23P（6s6p）跃迁而产生，现将其对应于各能级的量子数

MJSL、、、与Mgg、的数值列表如下：

表二

13S 23P

L 0 1

S 1 1

J 1 2

g 2 3/2

M 1 0 -1 2 1 0 -1 -2

Mg 2 0 -2 3 3/2 0 -3/2 -3

表三表明了在外磁场中可能跃迁及其裂距的计算值。“↓”的跃迁为0M，是成分，

其裂距为0，

21

； 而“↙”和“↘”的跃迁为1M，是成分，其裂距为

2

23

1，，。 观 测 方 向 跃

迁 第 5 页 共 12 页 表三

M 2 1 0 -1 -2

13S 22gM 2 0 -2

↙↓↘ ↙↓↘↙↓↘

23P 11gM 3 3/2 0 -3/2 -3

1122gMgM  1/2 0 -1/2

 -1 -3/2 -2 2 3/2 1

图3上部分表示汞原子能级分裂后可能发生的跃迁，共9种，下部分画出光谱线的

裂距与强度，按裂距间隔排列将成分的谱线画在线上，成分的谱线画在线下。各线

的长短对应其相对强度。

从横向角度观察，原546.1nm光谱线将分裂成9条彼此靠近的光谱线，其中包括

图3 塞曼分裂后的能级跃迁图 2 3

1 3/2

0 0

-1 -3/2

-2 -3 2M 22gM

1M 11gM 1 2

0 0

-1 -2

0B 0B

546.1nm 13S

23P

100

75 75

75 75 37.5 37.5 12.5 12.5 

 第 6 页 共 12 页 3条成分谱线（中心3条）和6条成分谱线，这些条纹间距小而使观察很困难，由

于这两种成分偏振光的偏振方向是正交的，因此我们可利用偏振片将成分的6条条纹

滤去，只让成分的条纹留下来。

三、实验装置

1. 实验仪器：电磁铁（包含电源）、F—P标准具（2mm）、干涉滤光片、会聚透镜、

偏振片、CCD、导轨、电脑、1/4波片、笔型汞灯、高斯计。

2. 实验装置：见图4，采用2mm间隔的F—P标准具，用干涉滤光片将汞灯中的

546.1nm光谱线选出，在磁场中分裂，然后用CCD摄像装置记录，并将图像传递

到计算机中，用软件进行处理。

3. 实验仪器介绍：

（1） 干涉滤光片：其作用是只允许546.1nm的绿光通过，滤掉Hg原子发出的

其它谱线，从而得到单色光。

（2） 偏振片：在垂直于磁场方向观察时用以鉴别成分和成分。

（3） CCD摄像头：CCD是电荷耦合器件的简称，是一种金属氧化物——半导体

结构的器件，具有光电转换，信息存储和信号传输（自扫描）的功能，在图

像传感、信息处理和存储多方面有着广泛的应用。本实验中，经由F—P标

准具出射的多光束，经透镜会聚相干，呈多光束干涉条纹成像于CCD光敏

面，利用CCD的光电转换功能，将其转换为电信号“图像”，由荧光屏显

示，因为CCD是对弱光极为敏感的光放大器件，故荧屏上呈现明亮、清晰图4 塞曼效应实验装置

N

汞灯 S 电磁铁

会聚透镜 滤光片 偏振片

F—P标准具 会聚透镜

CCD 计算机