塞曼效应：物质元素组成分析及能级结构研究

塞曼效应

量子理论发展的助推器

塞曼效应，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，是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的。随后洛伦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

1896年，荷兰物理学家塞曼使用半径3米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、荷兰物理学家洛伦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。塞曼和洛伦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20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和古兹米特提出了电子自旋假设，很好地解释了反常塞曼效应。应用正常塞曼效应测量谱线分裂的频率间隔可以测出电子的荷质比。由此计算得到的荷质比数值与约瑟夫·汤姆生在阴极射线偏转实验中测得的电子荷质比数量级是相同的，二者互相印证，进一步证实了电子的存在。塞曼效应也可以用来测量天体的磁场。1908年美国天文学家海尔等人在威尔逊山天文台利用塞曼效应，首次测量到了太阳黑子的磁场。

塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。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由一条谱线分裂成几条偏振化谱线的现象称为塞曼效应。若一条谱线分裂成三条、裂距按波数计算正好等于一个洛伦兹单位的现象称为正常塞曼效应；而分裂成更多条且裂距大于或小于一个洛伦兹单位的现象称为反常塞曼效应。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。正常塞曼效应可用经典理论给予很好的解释；而反常塞曼效应却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。塞曼效应的产生是原子磁矩和外加磁场作用的结果。平行和垂直于磁场方向时的塞曼效应对于Δm=+1，原子在磁场方向的角动量减少了一个，由于原子和光子的角动量之和守恒，光子具有与磁场方向相同的角动量，方向与电矢量旋转方向构成右手螺旋，称为σ+偏振，是左旋偏振光。反之，对于Δm=-1，原子在磁场方向的角动量增加了一个，光子具有与磁场方向相反的角动量，方向与电矢量旋转方向构成左手螺旋，称为σ-偏振，是右旋偏振光。对于Δm=0，原子在磁场方向的角动量不变，称为π偏振，是线偏振光。如果沿磁场方向观察，只能观察到σ+和σ-谱线的左旋偏振光和右旋偏振光，观察不到π偏振的谱线。如果在垂直于磁场方向观察，能够观察到原谱线分裂成3条：中间一条是π谱线，是线偏振光，偏振方向与磁场方向平行，σ+谱线和σ-谱线分居两侧，同样是线偏振光，偏振方向与磁场方向垂直。反常塞曼效应只有自旋为单态，即总自旋为0的谱线才表现出正常塞曼效应。非单态的谱线在磁场中表现出反常塞曼效应，谱线分裂条数不一定是3条，间隔也不一定是一个洛伦兹单位。例如钠原子的589.6纳米和589.0纳米的谱线，在外磁场中的分裂就是反常塞曼效应。

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谱线塞曼效应的实际用途：由塞曼效应实验结果去确定原子的总角动量量子数J值和朗德因子g值，进而去确定原子总轨道角动量量子数L和总自旋量子数S的数值。由物质的塞曼效应分析物质的元素组成。逆塞曼效应实验中不仅可以观察到光谱发射线的塞曼效应，吸收线也会发生塞曼效应，这被称为逆塞曼效应。塞曼效应是继法拉第效应和克尔效应之后又一项反映光的电磁特性的效应。更进一步涉及了光的辐射机理，因此被人们看成是继X射线之后物理学最重要的发现之一。这一效应及时地得到了洛伦兹电子理论的解释，塞曼的结果与洛伦兹理论相符，不但是洛伦兹理论的一大成功，也使塞曼的工作很快得到公认。其后,1897年，美国的迈克尔孙用他自己发明的干涉仪观察到光谱线在磁场中分裂为二重线。后来迈克尔孙又发明了分辨本领更高的阶梯光栅，他用阶梯光栅获得了更为精细的结果。英国人普列斯顿紧接着对塞曼效应做了深入的研究工作。他在1898年发表的论文中详细说明了各种磁致分裂图像，并且指出洛伦兹理论不能完全解释塞曼效应。随后发现了普列斯顿定律。根据这条定律可以判定谱线的归属。德国人龙格和帕邢也对塞曼效应进行了大量的实验研究。1902年，他们列举了大量数据，说明磁致分裂之间存在某种共同的规律。1912年，帕邢和拜克发现在极强磁场中，反常塞曼效应又表现为三重分裂，叫做帕邢－拜克效应。由塞曼首先发现的光谱磁分裂现象竟然呈现出如此复杂的情况，实在是人们始料不及的。光谱在磁场作用下的上述现象都无法从理论上进行解释，此后二十多年一直是物理学界的一件疑案。

塞曼效应实验仪器

1921年，德国杜宾根大学教授朗德发表题为：《论反常塞曼效应》的论文，他引进一因子g代表原子能级在磁场作用下的能量改变比值，这一因子只与能级的量子数有关。1925年，乌伦贝克与歌德斯密特“为了解释塞曼效应和复杂谱线”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做出了正确的计算。由此可见，塞曼效应的研究推动了量子理论的发展，在物理学发展史中占有重要地位。

塞曼简介

1865年5月25日出生于荷兰一个路德派教长的家里。1885年进入莱顿大学，曾经受教于昂纳斯和洛伦兹，后来还当过洛伦兹的助教，并与洛伦兹共事多年，因此对洛伦兹的电磁理论很熟悉。他的实验技术也很精湛。1892年曾因仔细测量克尔效应而获金质奖章。1893年获博士学位。他在研究磁场对辐射的影响时，得益于洛伦兹的指导和洛伦兹理论，从而发现了塞曼效应。1943年10月9日在荷兰的阿姆斯特丹逝世，享年78岁。