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塞曼效应（Zeeman effect）
　

塞曼(1865—1943)

1896年，荷兰科学家塞曼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，后称塞曼效应。

塞曼效应更进一步涉及了光的辐射机理，因此人们把它看成是继 X 射线之后物理学最重要的发现之一。

实验装置(现代)
　

zeeman3.gif (4133 bytes)

实验现象
　

正常塞曼效应	反常塞曼效应
正常塞曼效应中，假使磁场垂直于光径，单根线分裂成3根线；假使磁场平行于光径，则分裂成2根线。	反常塞曼效应是谱线分成几条间距靠近的谱线的复杂分裂现象，称它反常是因为这种现象与传统预测不一致。

理论阐释
　

谱线分裂，表明能量差的变化。要了解谱线在磁场中的分裂现象，就要考察磁场对光源的作用。

1、原子的总磁矩与总动量矩的关系

前面我们知道，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和轨道磁矩 μ_L，以及自旋角动量 Ps 和自旋磁矩 μ_S ，它们的关系为：

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，电子磁矩与角动量关系如图所示。

    由于 μ_S与 Ps 的比值比 μ_L 与 P_L的比值大一倍(见上式)、因此合成的原子总磁矩不在总动量矩 P_J 的方向上。
    但由于μ 绕 P_J 运动，只有 μ 在 P_J 方向的投影 μ_J 对外平均效果不为零。根据左图进行向量迭加运算，有 μ_J 与 P_J 的关系：

对于 LS 耦合，

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。

2、外磁场对原子能级作用

TU3.gif (2374 字节)

　

原子总磁矩受场作用发生的旋进

原子的总磁矩在外磁场中受到力矩 L 的作用。

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。原予受磁场作用而旋进所引起的附加能量 E为：

其中角 α 和 β 的意义见图。

    由于μ_J 或μ_J 在磁场中的取向是量子化的，也就是 P_J 在磁场方向的分量是量子化的， P_J 的分量只能是 h 的整数倍。即

其中M称为磁量子数，M = J, (J-l),……,-J，共有2J十1个值。进而得出

    这样，在无外磁场时的一个能级，在外磁场的作用下分裂成 2J+1 个能级。每个能级的附加能量由△E 决定，它正比于外磁场 B和因子 g 。

    设谱线是由 E₁和 E₂两能级间跃迁产生的，此谱线的频率由下式确定：

    在外磁场作用下的能级 E₂和 E₁分别分裂为 (2J₂十l)和(2J_l十l)个能级，附加能量分别是 ΔE₂和 ΔE₁，产生出新的谱线频率可由下式确定：

分裂后谱线与原谱线的频率差为：

其中L=(e/4πmc)B 称为洛伦茨单位。

3、塞曼效应的选择定则

     跃迁必须满足以下选择定则：

            ΔM = 0，±l

    (1)  当 ΔM＝0，产生 π 线，为光振动方向平行于磁场方向的线偏振光。垂直于磁场方向可观察到，平行于磁场方向观察不到 π 线，即其强度为零。

     (2) 当ΔM＝±l，产生 σ 线，为光振动方向垂直于磁场的线偏振光，
                     ΔM=1 （高频分量）是以磁场方向为正向的右旋园偏振光，
                     ΔM =-l（低频分量）是以磁场方向为正向的左旋偏振光。

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。