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）。

 

塞曼效应原理及实验方法

n        塞曼分裂谱线与原谱线关系

=      磁矩在外磁场中受到的作用

(1)     原子总磁矩在外磁场中受到力矩的作用

其效果是磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量（P_J）绕磁场方向旋进。

(2)     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

M为磁量子数

g为朗道因子，表征原子总磁矩和总角动量的关系，g随耦合类型不同（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+1）个能级，其分裂的能级是等间隔的，且能级间隔

=      塞曼分裂谱线与原谱线关系

(1)     基本出发点：

∴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

定义称为洛仑兹单位

n        塞曼分裂谱线的偏振特征

=      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：U）

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

=      分析的总思路和总原则：

在辐射的过程中，原子和发出的光子作为整体的角动量是守恒的。

原子在磁场方向角动量为

∴在磁场指向观察者时：⊙

当ΔM= +1时，光子角动量为，与同向

电磁波电矢量绕逆时针方向转动，在光学上称为左旋圆偏振光。

ΔM= -1时，光子角动量为，与反向

电磁波电矢量绕顺时针方向转动，在光学上称为右旋圆偏振光。

 

例：Hg 5461Å谱线，{6S7S}³S₁→ {6S6P}³P₂能级跃迁产生

 

分裂后，相邻两谱线的波数差

n        实验方法

=      观察塞曼分裂的方法

塞曼分裂的波长差很小

由于 

以Hg 5461 Å谱线为例

当处于B=1T的磁场中

要观察如此小的波长差，用一般的棱镜摄谱仪是不可能的，需要用高分辨率的仪器，如法布里—珀罗标准器（F—P标准具）。

F—P标准具由平行放置的两块平面板组成的，在两板相对的平面上镀薄银膜和其他有较高反射系数的薄膜。两平行的镀银平面的间隔是由某些热膨胀系数很小的材料做成的环固定起来。若两平行的镀银平面的间隔不可以改变，则称该仪器为法布里—珀罗干涉仪。

标准具在空气中使用时，干涉方程（干涉极大值）为

标准具有两个特征参量自由光谱范围和分辨本领。

=      自由光谱范围的物理意义：

表明在给定间隔圈原度为d的标准具中，若入射光的波长在λ～λ+Δλ间（或波数在间）所产生的干涉圆环不重叠，若被研究的谱线波长差大于自由光谱范围，两套花纹之间就要发生重叠或错级，给分析带来困难，因此在使用标准具时，应根据被研究对象的光谱波长范围来确定间隔圈的厚度。

=      分辨本领：（）

对于F—P标准具

N为精细度，两相邻干涉级间能够分辨的最大条纹数

R为反射率，R一般在90%

  （当光近似于正入射时）

例如：d=5mm，R=90%，λ=546.1nm时  Δλ=0.001nm

 

实验的研究内容

n        分析在垂直于磁场与平行于磁场方向观察Hg 546.1nm谱线在磁场中的分裂，区分π，σ⁺，σ^-谱线，并确定磁场方向。

n        设计方案，选用合适的F—P标准具和改变磁感应强度，验证塞曼分裂的裂距

n        设计方案用塞曼分裂计算电子的荷质比。

n        讨论塞曼效应研究原子内部能级结构的方法和应用。

 

实验讨论

n        讨论（F—P）标准具

问题

理论上（F—P）标准具两相对反射面距离处处相等，实验中往往不相等。

如何判断两反射问题是否处处相等？

如果不相等如何判断哪边d大，哪边d小？

分析

依据

当d相等时，同一入射角θ对应同一个K，因此干涉环为同心圆环。

当d↑时，K↑，因而出现干涉环吐出，要将对应的d减小。

 

n        实验中垂直于磁场方向观察时要求

1.        区分塞曼分裂中π偏振成分和σ偏振成分。

2.        选用合适的标准具，改变励磁电流观察σ偏振成分，相邻两级谱线的重叠。用特斯拉计测出磁场，与相应的理论值比较。

问题

为什么改变磁感应强度B，会看到相邻两级谱线的重叠，且是不同的重叠情况。

分析

因为改变B可以观察到干涉纹不同的重叠或错级情况：

=      F—P标准具 

自由光谱范围：

物理意义：若两谱线波长差>自由光谱范围（或），则两套干涉环就要产生重叠或错级。

当d确定后，是个确定的值。

=      塞曼裂距：

所以

 

n        实验中平行于磁场方向观察

要求区分σ+振与σ-偏振，并说明各自对应的 或 的跃迁。用的方法是光学中检验左、右旋偏振光的方法。实验中，常常出现的问题是忽略了磁场方向与观察方向的关系。

问题

为什么要强调磁场方向与观察方向的关系？

所对应的圆偏振光类型与磁场方向关系。

分析

按角动量守恒原则，在辐射过程中原子和发射的光子作为整体，总的角动量是守恒的。原子在磁场方向角动量

当时， 原子在磁场方向角动量减少 ，因此发射的光子必定在磁场正方向上有角动量 。当 指向观察者时，电矢量绕逆时针方向转动，在光学上叫做左旋圆偏振光。同样，沿着磁场方向 平行于磁场观察时，观察到 对应的σ偏振为右旋圆偏振光。

同理，时

原子在磁场方向角动量增加，因此发射光子必定具有在磁场相反方向上的角动量。即：磁场指向观察者时，这个电磁波电矢量是顺时针方向的，即为右旋圆偏振光。

同学们如果对如何鉴别左、右旋圆偏光的原理，方法不清楚可以通过仿真实验学习。