12.1.1塞曼效应赵龙宇PB06005068（本文内容选自高等教育出版社《大学物理实验》）塞曼效应实验是物理学史上一个著名的实验，在1896年，塞曼（Zeeman）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，使其光谱发生变化，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，塞曼效应的实验证实了原子具有磁矩和空间取向的量子化，并得到洛伦兹理论的解释。1902年塞曼因这一发现与洛伦兹（H.A.Lorentz）共享诺贝尔物理学奖金。至今，塞曼效应仍然是研究原子内部能级结构的重要方法。实验原理1．谱线在磁场中的能级分裂对于多电子原子，角动量之间的相互作用有LS耦合模型和JJ耦合某型。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耦合作用弱。原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩。总磁矩在磁场中受到力矩的作用而绕磁场方向旋进，可以证明旋进所引起的附加能量为ΔE=MgμBB（1）其中M为磁量子数，μB为玻尔磁子，B为磁感应强度，g是朗德因子。朗德因子g表征原子的总磁矩和总角动量的关系，定义为g=1+J(J+1)−L(L+1)+S(S+1)2J(J+1)（2）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。磁量子数M只能取J，J-1，J-2，…，-J，共（2J+1）个值，也即ΔE有（2J+1）个可能值。这就是说，无磁场时的一个能级，在外磁场的作用下将分裂成（2J+1）个能级。由式（1）还可以看到，分裂的能级是等间隔的，且能级间隔正比于外磁场B以及朗德因子g。能级E1和E2之间的跃迁产生频率为v的光，hv=E2−E1在磁场中，若上、下能级都发生分裂，新谱线的频率v’与能级的关系为hv'=(E2+ΔE2)−(E1+ΔE1)=(E2−E1)+(ΔE2−ΔE1)=hv+(M2g2−M1g1)μBB2分裂后谱线与原谱线的频率差为Δv=v−v'=(M2g2−M1g1)μBBh（3）代入玻尔磁子μB=eh4πm，得到Δv=(M2g2−M1g1)e4πmB（4）等式两边同除以c，可将式（4）表示为波数差的形式Δσ=(M2g2−M1g1)e4πmcB（5）令L=eB4πmc则Δσ=(M2g2−M1g1)L（6）L称为洛伦兹单位，L=B×46.7m−1⋅T−1（7）塞曼跃迁的选择定则为：ΔM=0，为π成为，是振动方向平行于磁场的线偏振光，只在垂直于磁场的方向上才能观察到，平行于磁场的方向上观察不到，但当ΔJ=0时，M2=0到M1=0的跃迁被禁止；ΔM=±1，为σ成分，垂直于磁场观察时为振动垂直于磁场的线偏振光，沿磁场正向观察时，ΔM=+1为右旋圆偏振光，ΔM=−1...
