塞曼效应讲义

《塞曼效应讲义》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、塞曼效应-三级实验实验简介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(Zeeman)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，证实了原子具有磁距和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解。塞曼效应另一引人注目的发现是由谱线的变化来确定离子的荷质比的大小、符号。根据洛仑兹(H.A.Lorentz)的电子论，

2、测得光谱的波长，谱线的增宽及外加磁场强度，即可称得离子的荷质比。由塞曼效应和洛仑兹的电子论计算得到的这个结果极为重要，因为它发表在J、J汤姆逊(J、JThomson)宣布电子发现之前几个月，J、J汤姆逊正是借助于塞曼效应由洛仑兹理论算得的荷质比，与他自己所测得的阴极射线的荷质比进行比较具有相同的数量级，从而得到确实的证据，证明电子的存在。塞曼效应被誉为继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）。至今，塞曼效应依然是研究原子内部

3、能级结构的重要方法。本实验通过观察并拍摄Hg(546.1nm)谱线在磁场中的分裂情况，研究塞曼分裂谱的特征，学习应用塞曼效应测量电子的荷质比和研究原子能级结构的方法。实验原理1.谱线在磁场中的能级分裂谱线在磁场中的能级分裂，是与外磁场和原子间的相互作用密切相关的。在研究外磁场和原子的相互作用时，原子的磁矩是一个重要的物理量。原子中的电子具有和轨道运动、自旋运动相应的轨道磁矩、自旋磁矩，原子核也有磁矩，它he们的表达式具有的倍数的形式，其中，h为普朗克常数，e为电子电荷，m4m为质量。由于质子的质量大于电子质量的1836倍

4、，因此核磁矩比电子磁矩要小三个数量级，所以计算原子总磁矩时核磁矩可暂不考虑。对于多电子原子，角动量之间的相互作用有LS耦合模型和JJ耦合模型。对于LS耦合，电子之间的轨道与轨道角动量的耦合作用及电子间自旋与自旋角动量的耦合作用强，而每个电子的轨道与自旋角动量的耦合作用弱，实际遇到的大多数情况是属于LS耦合，本文仅讨论LS耦合的情况。u,u原子中的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩JJ在磁感应强度为BP的磁场中，受到力矩L的作用而绕磁场方向旋进，即总角动量J也绕磁场方向旋进，如图1所示。图1.原子的总磁矩受磁场作

5、用发生进动磁矩在外磁场中的磁能：由于或在磁场中的取向量子化，所以其在磁场方向分量也量子化：∴原子受磁场作用而旋进引起的附加能量eh其中被称为玻尔磁子，M为磁量子数,g为朗德因子，朗德因子gB4m表征原子的总磁矩和总角动量的关系，它随电子角动量相互作用时的耦合类型不同有不同（LS耦合和JJ耦合）有两种解法。在LS耦合下：其中：L为总轨道角动量量子数S为总自旋角动量量子数J为总角动量量子数M只能取J，J-1，J-2„„-J（共2J+1）个值，即ΔE有(2J+1)个可能值。无外磁场时的一个能级，在外磁场作用下将分裂成（2J

6、+1）个能级，其分裂的能级是等间隔的，且能级间隔正比于磁场B和朗德因子g。塞曼分裂谱线与原谱线关系：在磁场中，若上下能级都发生分裂，新谱线的频率’与能级关系是∴分裂后谱线与原谱线频率差由于为方便起见，常表示为波数差定义为洛仑兹单位：则塞曼跃迁的选择定则为：ΔM=0时为π成份（π型偏振）是振动方向平行于磁场的线偏振光，只有在垂直于磁场方向才能观察到，平行于磁场方向观察不到；但当ΔJ=0时，M2=0到M1=0的跃迁被禁止。当ΔM=±1时，为σ成份，σ型偏振垂直于磁场，观察时为振动垂直于磁场的线偏振光。平行于磁场观察时，其偏振

7、性与磁场方向及观察方向都有关：沿磁场正向观察时（即磁场方向离开观察者：）+ΔM=+1为右旋圆偏振光（σ偏振）-ΔM=-1为左旋圆偏振光（σ偏振）也即，磁场指向观察者时：⊙ΔM=+1为左旋圆偏振光,ΔM=-1为右旋圆偏振光33例：Hg5461Å谱线，{6S7S}S1→{6S6P}P2能级跃迁产生分裂后，相邻两谱线的波数差图2.Hg(546.1nm)谱线在磁场中的分裂当外磁场比原子内部磁场强得多时（原子内部磁场的数量级为几十特斯拉），原子轨道磁矩和自旋磁矩分别与磁场的相互作用能明显地超过了轨道──自旋相互作用能，可认为轨道一

8、自旋耦合破坏，（即LS耦合破坏）。与前面类似的讨论可知，在强磁场下，原子受磁场作用的附加能量为E(m2m)uBlsB其中，m,m分别表示原子轨道角动量和自旋角动量在磁场方向投影的量子数。es在强磁场中，塞曼跃迁的选择则为：m0,m0,1,因此，原子由Esl2跃迁到E的谱线在强磁场下为1'