塞曼效应
摘要：本实验使用微机化的塞曼效应实验仪观察了汞光灯谱线在外加磁场时产生的分裂，即其塞曼效应，并由此计算了电子的荷质比。
关键词：塞曼效应；法布里-珀罗标准具；荷质比
1. 引言
19世纪伟大的物理学家法拉第研究电磁场对光的影响时，发现了磁场能够改变偏振光的偏振方向。1896年荷兰物理学家塞曼（Pieter Zeeman）根据法拉第的想法，探测磁场对谱线的影响，发现钠双线在强磁场中的分裂。洛伦兹根据经典电子论解释了分裂为三条谱线的正常塞曼效应。由于研究这个效应，塞曼和洛伦兹共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。他们这一重要研究成就，有力地支持了光的电磁理论，使我们对物质的光谱、原子和分子的结构有了更多的了解。
2. 实验目的
1.掌握塞曼效应理论,测定电子的荷质比,确定能级的量子数和朗德因子,绘出跃迁的能级图。
2.掌握法布里—珀罗标准具的原理和使用。
3.观察塞曼效应现象，并把实验结果和理论结果进行比较，同时了解使用CCD及多媒体计算进行实验图像测量的方法。
3.实验原理
3.1 塞曼效应简介
当光源放在足够强的磁场中时，所发出的光谱线都分裂成几条，条数随能级的类别而不同，而分裂后的谱线是偏振的，这种现象被称为塞曼效应。塞曼效应证实了原子具有磁距和空间取向量子化的现象。
塞曼效应分为正常塞曼效应和反常塞曼效应。正常塞曼效应是指那些谱线分裂为三条，而且两边的两条与中间的频率差正好等于4eBmc，对于这种现象，经典理论可以给予很好的解释。但实际上大多数谱线的分裂多于三条，谱线的裂距是4eBmc的简单分数倍，这种现象被称为反常塞曼效应。下面具体讨论塞曼效应中外磁场对原子能级的作用。
3.2原子的总磁矩与总动量矩的关系
因为原子中的电子同时具有轨道角动量PL和自旋角动量PS。相应的，它也同时具有轨道磁矩轨道微矩L和自旋磁矩S，并且它们有如下关系。
2LLSsePmePm (1)
第２３卷第２期 ２００７年４月 赤峰学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｆｅｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖ０１．２３ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２００７
释 正常塞曼效应的理论解释
李海彦，王红梅，张 晨
（德州学院 物理系，山东 德，ｋｔ１ ２５３０２３）
摘要：从塞曼效应的实验现象入手，分别利用半经典半量子理论和量子力学微扰跃迁对正常塞曼效应进行了解
关键词：塞曼效应；正常塞曼效应；量子力学
中图分类号：０５６２．３ ２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—２６０Ｘ（２００７）０２—０００５—０２
原子处在恒定外磁场中，它的光谱线常常发生复杂的
特殊的偏振和方向特性，这就是光谱的塞曼效应．根据谱
线的分裂情况又可分为以下两种：相应于单态谱线在外磁
场中的分裂称为正常塞曼效应；相应于非单态谱线在外磁
下面以镉为例对正常塞曼效应现象作一叙述．将镉光
三条谱线都是线偏振的波数为畅。的谱线的偏振方向平行
磁场，记为 线，其波数与原谱线波数相同，而波数为
它们与 。有同样的间隔△ｖ％，而△ 。＝ ｅＢ＝Ｌ（洛
伦兹单位），当平行于磁场方向观察时，只观察到波数分
针方向作圆偏振，而ｖ％ｏ—ａｖ％线沿顺时针作圆偏振．
Ｊ＿Ｂｌ ｌ∥Ｂ ｌ Ｊ＿Ｂ
ｊ １
。一△ 。 一十△
一 图１镉谱线的塞曼效应
２对正常塞曼效应现象的解释
在此我们采用了半经典半量子理论和量子理论中的微
扰理论两种方法对正常塞曼效应进行解释． ２．１正常曼效应的半经典半量子理论
在原子物理学中我们学习了原子磁矩，拉莫尔（Ｌａｒ—
ｎｏｒ）进动的相关知识，基于这些知识我们可采用半经典半
量子理论解释塞曼效应．我们知道，当外磁场Ｂ的作用比
原子内部轨道磁矩 ｌ与自旋磁矩 间的耦合作用弱时，原
子内部Ｌ＿ｓ耦合成，ｕｊ，，ｕｊ在Ｂ中产生附加能量ＡＥｍ＝
ＭＪｇ，ｊ，ｕＢＢ，其中磁量子数Ｍｊ＝ｊ，卜１，Ａ，一ｊ＋１，一ｊ，于是能
塞曼效应
该实验的教材为《近代物理实验》第二版，戴道宣，戴乐山主编，高等教育出版社，2006年7月，实验五 塞曼效应，p128-145.
1896年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（相邻两谱线的波数差）按波数计算正好等于一个洛伦兹单位(L=eB/4πmc)的现象叫做正常塞曼效应。正常塞曼效应，是原子内纯电子轨道运动的塞曼效应，应用经典理论就能给予解释。实际上大多数物质的谱线在磁场中的分裂多于三条，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。
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能级结构的重要方法之一。
大放货科2005年第4期
密盈效应
.胡口匕月场
、.产
、.产凡j
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J了吸、，mwo2Y一【一BeaI=o
+mcwo2a=0心dtzdz一dtzm
m
对(2).(3)两式，可以写出下列形式的解x二ae-im(5)Y二a'e一‘.t(6)在(5),(6)两式中的a和a，为任意常数，。为待定常数，将(5),(6)两式代人(2),(3)两式先求出。.得出下式:
、1咨少
、J矛
、.夕
、.声
‘、J尹7.
0口
OJ
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‘.1J矛.、
了‘、
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0一一
--(woe一。z)二【一‘eBwa#Jm
1川.JeBw卜摘要:本文将采用两种方法对正常塞受效应进行解释，并比较它们的异同。经比较发现两种解释所得结果一致。但经典解释从牛顿力学出发，未能反映原子内部本质;而半经典半童子解释，反映了原子内部本质。关键词:塞更效应简谐振动能级分裂1.前盲当光源在足够强的磁场中时，所发的光线谱分裂成几条，条数随能级的差别而不同，分裂后的谱线成份都是偏振的，这种现象称为塞曼效应。某些特殊情况下(原子的总自旋S=0时)，谱线分裂成三个成分，称为正常塞曼效应;在一般情况下，谱线的分裂成更多成分，称为异常塞曼效应。关于塞曼效应的解释，普通教材往往采用半经典半量子论进行解释，其实也可以用经典理论解释，本文将用这两种方法对正常塞曼效应进行解释，并比较它们的异同。2.正常塞经效应的经典解释下面从经典电子理论出发，对正常塞曼效应进行解释。设原子序数为Z的单电子原子体系处于
磁感应强度为百均匀外磁场中，如图1所示:(w02_w2)ar+
由(7),(S)两式得:
2,2一rie旦鱼12、川n一坦)=.一—.Lmj
“。’一sw==卜【
所以求得:ieBw'm
eB/，feB12w="2m土,}/c00一十I2m」
因为。>0，故上式根号前符号只能取正号，又
因为。。二eB0'2m，所以[eB12mJ’可略去，于是得:
eB。二WO土2m
由(7)式可求出a和a'的关系(12)
