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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。
南昌大学物理实验报告学生姓名： 学号： 5502210039 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩：塞曼效应一、实验目的1．观察塞曼效应现象，把实验结果与理论结果进行比较。
2．学习观测塞曼效应的实验方法。
3．计算电子核质比。
二、实验仪器WPZ —Ⅲ型塞曼效应实验仪三、实验原理塞曼效应：在外磁场作用下，由于原子磁矩与磁场相互作用，使原子能级产生分裂。
垂直于磁场观察时，产生线偏振光（π线和σ线）；平行于磁场观察时，产生圆偏振光（左旋、右旋）。
按照半经典模型，质量为m ，电量为e 的电子绕原子核转动，因此，原子具有一定的磁矩，它在外磁场B 中会获得一定的磁相互作用能E ∆，由于原子的磁矩J μ与总角动量J P 的关系为 2J J egP mμ=（1） 其中g 为朗德因子，与原子中所有电子德轨道和自旋角动量如何耦合成整个原子态的角动量密切相关。
因此，cos cos 2J J eE B g P B mμαα∆=-=-（2） 其中α是磁矩与外加磁场的夹角。
又由于电子角动量空间取向的量子化，这种磁相互作用能只能取有限个分立的值，且电子的磁矩与总角动量的方向相反，因此在外磁场方向上， cos ,,1,,2J hP MM J J J απ-==--（3）南昌大学物理实验报告学生姓名： 刘惠文 学号： 5502210039 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩：式中h 是普朗克常量，J 是电子的总角动量，M 是磁量子数。
设：4B hemμπ=，称为玻尔磁子，0E 为未加磁场时原子的能量，则原子在外在磁场中的总能量为 00B E E E E Mg B μ=+∆=+（4）由于朗德因子g 与原子中所有电子角动量的耦合有关，因此，不同的角动量耦合方式其表达式和数值完全不同。
在L S -耦合的情况下，设原子中电子轨道运动和自旋运动的总磁矩、总角动量及其量子数分别为L μ、L P 、L 和S μ、S P 、S ，它们的关系为(1),222L L e e hP L L m m μπ==+（5）(1),2S S e e hP S S m m μπ==+（6）设J P 与L P 和S P 的夹角分别为LJ α和SJ α，根据矢量合成原理，只要将二者在J μ方向的投影相加即可得到形如（1）式的总电子磁矩和总轨道角动量的关系：2222222222cos cos (cos 2cos )2(2)222(1)222J L LJ S SJL LJ S SJ J L S J L S J J J L S JJ J eP P mP P P P P P e m P P P P P e P P m e gP mμμαμααα=+=++--+=+-+=+=（7） 其中朗德因子为 (1)(1)(1)1.2(1)J J L L S S g J J +-+++=++（8）由（＊）式中可以看出，由于M 共有（2J ＋1）个值，所以原子的这个能级在南昌大学物理实验报告学生姓名： 刘惠文 学号： 5502210039 专业班级：应物101班 实验时间： 教师编号：T017 成绩：外磁场作用下将会分裂为（2J ＋1）个能级，相邻两能级间隔为B g B μ。
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
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。
原子在外磁场中发光谱线发生分裂且偏振的现象称为塞曼效应;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。
基本信息中文名称：塞曼效应外文名称：Zeeman effect解释：原子的光谱线在外磁场中出现分裂发现者：荷兰物理学家塞曼发现时间：1896年奖项：诺贝尔物理学奖原理简介荷兰物理学家塞曼在1896年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体使光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。
塞曼效应是法拉第磁效致旋光效应之后发现的又一个磁光效应。
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。
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(以表彰他们研究磁场对光的效应所作的特殊贡献)。
详细内容塞曼效应，英文:Zeeman effect,是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的.他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂。
随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成3条的原因。
这种现象称为"塞曼效应"。
进一步的研究发现，很多原子的光谱在磁场中的分裂情况非常复杂，称为反常塞曼效应。
完整解释塞曼效应需要用到量子力学，电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取向是量子化的，磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。
在外磁场中，总自旋为零的原子表现出正常塞曼效应，总自旋不为零的原子表现出反常塞曼效应。
塞曼效应是继1845年法拉第效应和1875年克尔效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例。
塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。
塞曼效应
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的钠火焰的光谱，他发现钠的D谱线似乎出现了加宽的现象，后来发现，这种加宽现象实际是谱线发生了分裂。
原子谱线为什么会出现分裂现象呢？塞曼的老师、荷兰物理学家洛仑兹应用经典电磁理论对这种现象进行了解释。
洛仑兹认为，由于电子存在轨道磁矩，并且磁矩方向在空间的取向是量子化的，在磁场作用下能级发生分裂，因而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，普雷斯顿报告称，在很多实验中观察到光谱线有时并非分裂成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合理地解释，困绕了一大批物理学家。
1925年，两名荷兰学生乌仑贝克和古兹米特提出了电子自旋假设，反常塞曼效应的困惑才告一段落。
[6]
十九世纪末叶，塞曼效应的发现是对光的电磁理论有力支持，特别是及时得到洛伦兹的理论解释，更受到人们的重视，被誉为继X射线之后物理学最主要的发现之一。
现在学术界对塞曼效应的解释运用的是量子力学，电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取向是量子化的，磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。
在外
磁场中，总自旋为零的原子表现出正常塞曼效应，总自旋不为零的原子表现出反常塞曼效应。
如果按照形态场假说的观点分析，经典电磁理论和量子力学关于塞曼效应的解释却是不成立的。
因为在复式原子模型中，核外电子不存在轨道磁矩，且轨道角动量角量子数l为零，与之对应的原子磁矩空间量子化条件消失；所以不存在电子轨道磁矩与自旋磁矩耦合现象，原子能级分裂的假设失去了理论前提。
那么，塞曼效应又该如何解释呢？形态场假说认为，磁场中光谱线分裂现象与电磁波的偏振性和原子能级分裂两种因素有关。
下面让我们来讨论第一个问题——电磁波的偏振性。
电磁波偏振方向决定于原子磁轴的方向，原子的磁场结构具体表述为：以原子核电场为轴，磁力线方向为右手旋。
由史特恩-盖拉赫实验可知，在外磁场中，原子磁轴方向将产生极化现象，趋向与外磁场磁力线相垂直。
极化后的原子核外电子轨道平面将与外磁场磁力线保持平行。
从垂直磁力线角度看，磁轴方向由外向里的原子（左图），核外电子顺时针绕核旋转，自旋方向与轨道运动方向相同，因此，辐射出的电磁波为左旋偏振波。
同理，磁轴方向由里向外的原子（右图），核外电子逆时针绕核旋转，自旋方向与轨道运动方向相同，因此，辐射出的电磁波为右旋偏振波。
实验显示，谱线分裂图像与观察方向有关。
如果顺着磁力线望去，原来的一条谱线分成两条，它们在原谱线两侧对称的位置上，两条谱线都是圆偏振的。
要是从垂直于磁力线的方向看，谱线变成三条，其中一条在原谱线位置，另外两条各在它的一侧。
三条谱线都呈直线偏振，并且中间一条的偏振方向与旁边两条的偏振方向正交。
第一种情形，顺着磁场方向（N极）观看，发生辐射的电子位于C、D点，极化后的磁性原子分别发出左旋偏振光和右旋偏振光。
因此，原混合谱线必将发生分裂，分别向左、右移动，分列在原谱线两侧。
原子的磁轴在水平面内可以自由转动，对观测结果没有任何影响，分裂谱线呈扇形分布，又称圆偏振。
第二种情形，垂直于磁力线的方向看，相当于从P点侧视电子轨道平面，观测视线与电子轨道面平行。
从P点观察，磁轴方向由外向里的原子（左图）A点所发出的左旋偏振光，向上偏移。
磁轴方向由里向外的原子（右图）B点所发出的右旋偏振光，向下偏移。
对于P
点的观测者来说，A、B两点发出的偏振光都呈直线偏振，分列在原谱线的两侧。
通常情况下，在外磁场作用下，原子的磁轴将被极化，趋向与外磁场磁力线相垂直。
但是，有一种情况除外，就是原子的磁轴与外磁场磁力线平行的情形，磁场对原子磁场不产生作用，这时光的偏振行为不在上述两种情形之列。
顺磁力线方向观察，相当于俯视核外电子轨道平面，观测不到电子发出的电磁波。
垂直磁力线观察，则可观测到水平方向的偏振光，其中：磁轴向上的E点电子，辐射出的是右旋偏振光，磁轴向下的F点电子，辐射出的是左旋偏振光。
这两种偏振光在水平方向发生位移，在垂直方向不显示位移，因而仍位于原谱线位置，偏振方向与A、B两点发出光的偏振方向相垂直，即与旁边两条谱线的偏振方向正交。
接下来，让我们来讨论第二个问题——原子能级的分裂。
在复式原子模型中，虽然不承认电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合，引起原子
能级分裂；但是，并不否认外磁场对原子核和核外电子的作用，磁场在对原子核和电子质量场作用过程中，必将改变核外电子的能量状态（轨道半径），导致原子能级分裂。
原子能级分裂程度与外磁场强度成正比。
如若原子能级分裂轻微，电子辐射出的电磁波频率变化较小，谱线的分裂程度就会较弱，同方向的偏振谱线密集地聚集在一起，合并为一条谱线。
从垂直磁场方向看，原谱线大致分裂成左、中、右三条谱线，称为正常塞曼效应。
如若原子能级分裂程度较高，电子辐射出的电磁波频率变化较大，同一能级的光谱就会明显地分裂为两条或两条以上谱线，称为反常塞曼效应。
作为试验验证，当改变外磁场强度时，可以观测到分裂谱线同步发生变化，谱线分裂间隔与外磁场强度成正比。
综上所述，塞曼效应是一种电磁波偏振位移行为，属于一级效应，电磁波的频率变化属于二级效应。
在没有外磁场的环境中，各种偏振光混杂在一起，占据光谱的同一位置。
通过磁场作用后，能级分裂，谱线向各自的偏振方向分离，这是谱线分裂的原因。
