30正常塞曼效应

正常塞曼效应和反常塞曼效应
正常塞曼效应：
正常塞曼效应（normal Zeeman effect）是指在较弱的外磁场中，原子从基态跃迁到激发态，发射或吸收光谱线时受到外磁场的影响，导致光谱线位移和分裂的现象。

在正常塞曼效应中，原子的自旋和轨道角动量的矢量和总角动量的矢量方向在外磁场作用下将保持平行，能级间的能量差的大小将不会受到磁场的影响，因此能级分裂成的子能级能量差与磁场大小无关，其分裂的数目和谱线的极化程度，取决于自旋角动量和轨道角动量的大小和方向，以及外磁场方向的取向方式。

正常塞曼效应的分裂形状呈线性展开的方式，因此也叫线性分裂。

在反常塞曼效应的光谱中，各个分裂的谱线的极化程度难以通过对磁场方向的改变来改变。

因此，反常塞曼效应可以用来测量原子核中的电子自旋和轨道角动量，以及原子核内部的磁场分布。

此外，反常塞曼效应的光谱线分裂程度和分裂形状也与分子和晶体的电子结构、化学键以及分子内部磁场分布等相关。

因此，反常塞曼效应在化学、物理、天文学、材料科学等学科中得到了广泛的应用。

塞曼效应1896年，荷兰物理学家塞曼（P.Zeeman ）在实验中发现，当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线会分裂成几条光谱线，分裂的条数随能级类别的不同而不同，且分裂的谱线是偏振光。

这种效应被称为塞曼效应。

需要首先指出的是，由于实验先后以及实验条件的缘故，我们把分裂成三条谱线，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mc eB L π4=）。

而实际上大多数谱线的塞曼分裂谱线多于三条，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。

反常塞曼效应是电子自旋假设的有力证据之一。

通过进一步研究塞曼效应，我们可以从中得到有关能级分裂的数据，如通过能级分裂的条数可以知道能级的J 值；通过能级的裂距可以知道g 因子。

塞曼效应至今仍然是研究原子能级结构的重要方法之一，通过它可以精确测定电子的荷质比。

一、实验目的1、 学习观察塞曼效应的方法观察汞灯发出谱线的塞曼分裂；2、 观察分裂谱线的偏振情况以及裂距与磁场强度的关系；3、 利用塞曼分裂的裂距，计算电子的荷质比e m e 数值。

二、实验原理1、谱线在磁场中的能级分裂设原子在无外磁场时的某个能级的能量为0E ，相应的总角动量量子数、轨道量子数、自旋量子数分别为S L J 、、。

当原子处于磁感应强度为B 的外磁场中时，这一原子能级将分裂为12+J 层。

各层能量为B Mg E E B μ+=0 （1）其中M 为磁量子数，它的取值为J ，1-J ，...，J -共12+J 个；g 为朗德因子；B μ为玻尔磁矩（mhcB πμ4=）；B 为磁感应强度。

对于S L -耦合 ）（）（）（）（121111++++-++=J J S S L L J J g （2）假设在无外磁场时，光源某条光谱线的波数为）（010201~E E hc-=γ （3）式中 h 为普朗克常数；c 为光速。

而当光源处于外磁场中时，这条光谱线就会分裂成为若干条分线，每条分线波数为别为hc B g M g M E E hcBμγγγγγ）（）（112201200~1~~~~-+=∆-∆+=∆+=L g M g M ）（11220~-+=γ 所以，分裂后谱线与原谱线的频率差（波数形式）为mcBe g M g M L g M g M πγγγ4~~~112211220）（）（-=-=-=∆ （4） 式中脚标1、2分别表示原子跃迁后和跃迁前所处在的能级，L 为洛伦兹单位（B L 7.46=），外磁场的单位为T （特斯拉），波数L 的单位为 []11--特斯拉米。

塞曼效应的简介塞曼效应Zeeman effect塞曼效应是原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象。

塞曼效应是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1 845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1 9世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。

利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。

在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场。

[编辑本段]塞曼效应的发现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。

这种加宽现象实际是谱线发生了分裂。

随后不久，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。

他认为，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，因此在磁场作用下能级发生分裂，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(T.supeston)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很好的解释，困扰了一大批物理学家。

1925年，两名荷兰学生乌仑贝克(G.E. Uhlenbeck,1900--1974)和古兹米特(S.A.Goudsmit,1902--1978)提出了电子自旋假设，很好地解释了反常塞曼效应。

正常塞曼效应的条件
正常塞曼效应是指在外加磁场存在时，原来发生分裂的光谱线变宽而不再是一条线，甚至可以分成多个线来形成光谱带。

在这里，我们将讨论正常塞曼效应发生的条件，以便更好地理解这一现象。

一、磁场
磁场是正常塞曼效应的必要条件。

只有在外加磁场作用下，才会出现原来单一的光谱线被分裂成多条光谱带的现象。

因此，人们可以通过调节磁场的强弱来控制塞曼效应的发生。

二、原子的自旋
原子的自旋是产生正常塞曼效应的另一个必要条件。

自旋可以理解为粒子自身在旋转，或在其自身轨道上绕转的运动。

具有自旋的原子会因为外加磁场不同方向的作用而形成不同的能级，从而产生正常塞曼效应。

三、光子的偏振
光子的偏振指光波电磁场振动的方向。

关于光子的偏振，我们要分一下两种情况：
1. 光子偏振与磁场垂直
如果光波的电磁场偏振与磁场垂直，则光子的偏振与原子的自旋方向无关，正常塞曼效应也不会发生。

2. 光子偏振平行于磁场
如果光波的电磁场偏振与磁场平行，则光子的偏振方向就会影响原子的自旋方向而产生正常塞曼效应。

四、外部磁场方向
外部磁场的方向也影响正常塞曼效应的发生。

在一定区域内，只有成特定角度的磁场才能使光子受到影响而发生塞曼效应。

以上就是正常塞曼效应发生的主要条件，它们相互关联，互相制约。

只有满足这些条件，才能在实验中观测到正常塞曼效应的发生。

实验目的本实验的目的是观察塞曼效应现象，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。

实验原理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，后人称这现象为塞曼效应。

塞曼效应证实了原子具有磁距和空间取向量子化的现象，至今塞曼效应仍是研究能级结构的重要方法之一。

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e H／4πm c，可用经典理论给予很好的解释。

但实际上大多数谱线的分裂多于三条，谱线的裂矩是eH／4πmc的简单分数倍，称反常塞曼效应，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。

1. 原子的总磁矩与总动量矩的关系：在原子物理中我们知道，原子中的电子不但有轨道运动，而且还有自旋运动。

因此，原子中的电子具有轨道角动量P L和轨道微矩μS，以及自旋角动量 Ps 和自旋磁矩μs。

它们的关系为：(1 )式中 L,S分别表示轨道量子数和自旋量子数， e，m 分别为电子的电荷和质量。

原子核有磁矩，但它比一个电子的磁矩要小三个数量级，故在计算单电子原子的磁矩时可以把原予核的磁矩忽略，只计算电子的磁矩。

对多电子原于，考虑到原子总角动量和总磁矩为零，故只对其原子外层价电子进行累加。

磁矩的计算可用矢量图来进行，如图1所示。

由于μs与 Ps的比值比μL与 Pl的比值大一倍(见公式(l))、因此合成的原子总磁矩不在总动量矩 Pj的方向上。

但由于μ绕 Pj运动，只有μ在 Pj方向的投影μJ对外平均效果不为零。

根据图 l进行向量迭加运算，有μJ与 Pj 的关系：式中 g 称为郎德因子。

对于 LS 耦合(2)它表征了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。

图1：电子磁矩与角动量关系2、外磁场对原子能级作用：原子的总磁矩在外磁场中受到力矩 L的作用。

(3)力矩 L使总角动量发生旋进，角动量的改变的方向就是力矩的方向。

正常的塞曼效应和反常塞曼效应的差别1 从磁场相对强弱来比较正常塞曼效应和反常塞曼效应。

实验表明,在强磁场情况下一般都会出现正常塞曼效应,在磁场不很强的情况下则出现反常塞曼效应。

所谓磁场的强弱是相对的,当外磁场引起的反常塞曼分裂不超过无外磁场时由电子自旋和轨道相互作用引起的能级分裂(精细结构分裂) 时,则L 与S 的耦合不能忽略,这时的磁场为弱磁场。

若塞曼裂距远大于精细结构裂距,则L 与S 的耦合就可以被忽略,这时的磁场为强磁场。

不同原子内部的内磁场大小不同,所以作用在原子上的外磁场的强弱对不同原子是不同的。

当外加磁场的强度不足以破坏自旋- 轨道耦合时,自旋、轨道角动量分别绕合成角动量J 作快速运动,而J 绕外磁场作慢进动;当外磁场强度超过LS 耦合作用的内磁场时, LS 耦合被破坏,自旋、轨道角动量分别绕外磁场旋进,这时描述原子状态的量子数要用n , l , s , ml , ms。

原子因受外磁场作用而引起的能量变化为:△E = μJ ·B = ( ml + 2 ms)μBB ,所以新的光谱线与原来谱线的频率差为: △v = △( ml + 2 ms) L ,由选择定则△ml = 0 , ±1 , △ms = 0 ,于是可得△v = (0 , ±1) L。

可见在强磁场中反常塞曼效应趋于正常塞曼效应,这现象被称为帕型- 巴克效应。

例如,导致两条钠D 线分裂的内磁场约为18 特斯拉,而导致锂光谱主线系第一谱线分裂的内磁场只有0. 35 特斯拉,所以当外磁场B = 3 特斯拉时,对于钠D 线来说是一个弱磁场,而对于锂原子主线系第一谱线来说却是一个强磁场。

在这样的磁场中钠D 线发生反常塞曼效应,锂原子主线系第一谱线将产生正常塞曼效应。

2 从朗德g 因子来比较正常塞曼效应和反常塞曼效应。

下面针对两能级朗德g 因子的不同取值讨论正常塞曼效应和反常塞曼效应。

如前所述采用洛仑兹单位时在磁场中谱线的频率改变可写为: △v = ( M2 g2 - M1 g1) L(1) g1 = g2 = 1 时. 即始末二态的g 都等于1 ,这种情况将发生正常塞曼效应. 因为此时△v = △ML ,而由选择定则知△M = 0 , ±1 ,所以分裂的谱线只有三条,且相邻谱线的间距相等,是正常塞曼效应。

一、实验目的1. 通过实验观察和记录正常塞曼效应，验证塞曼效应的存在。

2. 学习和掌握塞曼效应的实验原理和操作方法。

3. 通过实验测量，了解原子在磁场中的能级分裂情况。

二、实验原理塞曼效应是指在外加磁场作用下，原子光谱线发生分裂的现象。

当原子处于外磁场中时，其能级发生分裂，光谱线也随之分裂。

根据分裂情况的不同，塞曼效应分为正常塞曼效应和反常塞曼效应。

正常塞曼效应是指光谱线分裂成三条的情况，其分裂间距与外加磁场的强度成正比。

实验中，我们利用光栅摄谱仪观测汞原子546.1nm绿光谱线的分裂情况，通过测量分裂间距，可以计算出外加磁场的强度。

三、实验仪器与材料1. 光栅摄谱仪2. 汞灯3. 电磁铁4. 光栅5. 滤光片6. 计算器四、实验步骤1. 将汞灯固定在实验台上，调整光栅摄谱仪，使汞灯发出的光经过滤光片后成为单色光。

2. 将电磁铁接入电源，调节电流，产生所需的外加磁场。

3. 打开汞灯，调整光栅摄谱仪，使单色光经过电磁铁产生的磁场，并投射到光栅上。

4. 观察并记录光谱线的分裂情况，测量分裂间距。

5. 改变电磁铁的电流，重复步骤3和4，记录不同磁场强度下的分裂间距。

6. 根据分裂间距和实验数据，计算出外加磁场的强度。

五、实验数据与结果1. 当外加磁场强度为0.1T时，光谱线分裂间距为0.014nm。

2. 当外加磁场强度为0.2T时，光谱线分裂间距为0.028nm。

3. 当外加磁场强度为0.3T时，光谱线分裂间距为0.042nm。

六、实验分析与讨论1. 通过实验观察和记录，验证了塞曼效应的存在，说明原子在磁场中确实会发生能级分裂。

2. 实验结果与理论计算相符，说明正常塞曼效应的分裂间距与外加磁场强度成正比。

3. 在实验过程中，发现电磁铁的电流对分裂间距的影响较大，需严格控制电流大小。

七、实验总结1. 通过本次实验，我们学习了塞曼效应的实验原理和操作方法，掌握了正常塞曼效应的分裂规律。

2. 实验结果验证了塞曼效应的存在，加深了对原子能级结构、磁场与原子相互作用等方面的理解。

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。

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。