2013/5/18南华大学核科学技术学院毕业设计（论文）
1、塞曼效应的发现过程
塞曼效应的发现过程彼德塞曼是一位着名的实验物理学家，1865年5月25 出生于荷兰泽兰境内的宗尼玛利，1885年进入莱顿大学，在洛仑兹教授和昂尼斯教授的指导下学习物理学。1890年以优异的成绩毕业，并被母校聘为物理系助教，成为洛仑兹教授的助手。
塞曼对麦克斯韦的电磁理论非常熟悉，而且实验技术也很精湛他对克尔效应作了仔细的测量，因而荣获1892年荷兰科学学会的金质奖章，并于1893年获得博士学位，塞曼对克尔效应的深入研究成为他发现光谱线在磁场中产生分裂这一磁光相互作用效应的直接先导。
早在1845年，法拉弟就发现，当一束平面偏振光穿过处于强磁场中的玻璃时，其偏孤面发生旋转。这是人类认识到的第一个磁光相互炸用效应。1862年，法
拉弟又做了另一个磁光实验，他把钠焰置于磁铁的两极之间，试图用磁场去影响钠蒸气的光发射，但没有成功，1876年，苏格兰物理学家克尔继1875年发现玻璃在强电场的作用下对光具有双折射作用之后，又发现当平面偏振光从磨光了的磁体极面上反射后 光束成为椭园偏振光。很多物理学家在不同的磁化方向不同的入射兔和不同的光波波长之下，仔细地观察了这个现象。1890年柏林的杜.博伊斯 、1906年威斯康星的英格索尔及1912年伦贝格的洛里亚对这个效应于颜色的依赖关系作了特别的考察，1880年斐兹杰惹、1893年拉莫尔等人对克尔实验作出了理论解释。
法拉弟效应和克尔效应揭示了磁场对传插着的光的影晌，由此出发进而研究磁场对光源的影响则，是十分自然的。1895年前后 塞曼停止了对克尔效应的测量转而研究磁场对钠焰光错的作用。他在一篇论文中写道“在作了克尔磁光现象的测量之后，我产生了一个想法，究竟磁力作用于火焰时火焰发出的光周期会不会改
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变”，但是这次实验并米发现任何现象。大约一年之后塞曼得知法拉弟曾于1862年亲 自做过这一实验。他的反应是，法拉弟这样伟大的实验天才都认为这个实验值得做有价值，那么这个实验就值得用更好的仪器再做一遍，而且塞曼认识到他拥有比法拉弟好得多的仪器，因为法拉弟用的是低分辨率的棱镜分光镜，而他却能使用衍射光栅，这样也许能发现法拉弟所没有觉到的微弱效应。于是，塞曼就用当时最好的分光仪器即罗兰光栅和特别设计的电磁铁再次实验。这一次他观察到了由磁场引起的谱线的略微增宽，塞曼在论文中写道：“这样的事情果然发生了我用石棉条沾以食盐放在电磁铁磁极间的氢氧焰中，用罗兰光栅检验火焰光，当电磁铁电路接通时 D的两根谱线（即钠黄光谱线D1和D2）都看到增宽的现象.”
1896年10月31日，塞曼把上述结果报告给阿姆斯特丹科学院这一现象发表后，有一些物理学家试图从理论上子以说明，但塞曼认为，真正的解释可以从洛仑兹的电学理论中得到。四周之后他在阿姆斯特丹科学院的另一次会议上报告说，洛仑兹理论不仅很好地解释了最初的实验结果，而且还预言加宽的谱线边缘发出的光应当是偏振光并且由此可求得离子（即电子）的荷质比，塞曼宣布，他用四分之一波片和检偏器，发现在磁场增宽的谱线边缘，从磁力线方向看出是园偏振光 ，而从与磁力线成直角的方向观察则是平面偏振光，与理论预言相符。塞曼测得离子荷质比的数量级为10的7次方cgsm每克。 这一结果虽然粗糙，但却极为重要，因为塞曼发表这个结果是在汤姆逊宣布发现电子之前的几个月，汤姆逊正是借助于塞曼根据洛仑兹的电学理论所得到的上述结果与自己测定的阴极射线荷质比进行比较数量级都是10的 7次方从而得到确实证据的。
根据洛仑兹理论还可推得，从垂直磁场的方向观察谱线应分裂为三条，从平行磁场方向观察，谱线应分裂为两条。1897年春，塞曼转到阿姆斯特丹大学后，把磁场加大到3万高斯左右，终于观察到二重线和三重线。应当指出，塞曼能进一步证实洛仑兹的这一理论预言是非常幸运的。因为后来知道只有单一态的谱系，才能得到洛仑兹理论所预期的结果。
塞曼效应对于原子结构的研究有着重要的意义。它对泡利原理和电子自旋的发现、对发光机制的详细了解以及更多的事情都是具有决定意义的。塞曼效应的进一步研究推动了量子力学的发展，而且, 它与量子力学符合成为量子力学的重要
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实验证明之一。
塞曼的发现由于及时得到洛仑兹的理论解释而很快得到公认,另一方面，塞曼的实验结果与洛仑兹理论的一致也被看成是后者的一大成功。 所以1896年发现的塞曼效应被誉为是物理学上继X射线之后的一大发现。塞曼和洛仑兹也因关于这一现象的研究而荣获1902年度的诺贝尔物理学奖
2、正常塞曼效应的现象与理论解释
2.1 正常塞曼效应的实验现象
以镉(Cd) 643. 847nm 谱线为例介绍正常塞曼效应.将镉光源放入磁场中,对谱线进行测量。
当垂直磁场 B 方向观察时,测得 3 条谱线: V0-?V,V0 ,V0??V,这 3 条谱线都是线偏振的.波数为V0 的谱线的偏振方向平行磁场,记为π线,其波数与原谱线波数相同.而波数为V0??V的两条线的偏振方向与磁场垂直,记为ζ ±线,它们与V0有相同的间隔?V,而?V?eB4?mc?L(洛伦兹单位＃) .当平行于磁场
方向观察时,只观察到波数分别为V0??V和V0-?V的谱线,中间那条不出现,而且这2条线都是圆偏振的,其中V0??V线沿逆时针方向作圆偏振, 而V0-?V线沿顺时针方向作圆偏振，如图所示.
2.2正常塞曼的理论解释
采用半经典半量子理论对正常塞曼效应进行解释.利用半经典半量子理论解释塞曼效应要基于“原子物理学” 中关于原子磁矩、 拉莫尔(Larmor)进动的相关知识.
首先解释塞曼谱线的频率分布规律.当外磁场 B 的作用比原子内部轨道磁矩?l与自旋磁矩?s间的耦合作用弱,原子内部 L —S耦合成
?j ,
?j 在 B 中产生附加能量
?Em?Mjgj?BB ,其中磁量子数 MJ = j , j -
1 , ?, - j +1 , - j ,于是能级 En,l,j 对 MJ 的简并解除.
考虑一个原子的 2个能级 E2 和 E1之间的跃迁,无外磁场时,跃迁的能量为hv
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= E2 - E1 (1)
在外磁场中,2 个能级的能量分别为
E2'?E2?M2g2?BBE1'?E1?M1g1?BB量子跃迁的能量为
hv'?E2'-E1'?(E2-E1)?(M2g2?M1g1)?BB?hv?(M2g2?M1g1)?BB
(2)
由于不考虑自旋(或总自旋均为零) ,此时朗德因子 g2?g1?1,因此
hv'?hv?（M2-M1)?BB(3)
据选择定则ΔM = 0 , ±1 ,只能有 3 条谱线
(4)
相邻
2
条谱线的间隔相等,用波数表示则有
(5)
式中
为洛仑兹单位.洛仑兹用经典理论算出了这个量,解释了正常塞曼效应. 为此,他与塞曼一起分享了1902年的诺贝尔物理学奖.
下面讨论塞曼效应的偏振特性. 解释谱线的偏振性的依据之一,是角动量守恒定律:在辐射过程中,原子和所发射的光子作为整体的角动量是守恒的;依据之二是原子跃迁的选择定则.
当ΔM = M2-M1 = 1 时,原子在磁场方向
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( z) 的角动量减少 1 个? ,把原子和发出的光子作
为一个整体,角动量必须守恒。因此,所发光子必定在磁场方向具有 ?角动量. 当面对磁场向观察时,由于磁场方向即光传播方向,所以 J 与光传播方向一致,将观察到?偏振;
?当ΔM = M2-M1 = - 1时,同理,原子在磁场方向( z) 的角动量增加1个? ,所发光子必定在与磁场相反的方向上具有? 角动量.因此,面对磁场方向时将观察到ζ -偏振.图 2 给出了面对磁场方向观察到的ζ ±偏振的情况. 对于这 2 条谱线,电矢量在 xy 平面,因此,在与磁场B垂直的方向(例如 x方向) 观察时,只能见到 Ey 分量(横波特性) ,我们观察到2条与B 垂直的线偏振光ζ±;当ΔM = M2-M1 = 0时,原子在磁场方向( z) 的角动量不变,?光子必定具有在与磁场垂直方向(设为 x 方向) 的角动量 ? ,光的传播方向与磁场方向垂直,与光相应的电矢量必定在 yz 平面内,它可以有 Ey 和 Ez 分量. 但是,凡角动量方向在 xy 平面上的所有光子都满足ΔM = 0的条件,因此,平均的效果将使 Ey 分量为零.于是,在沿磁场方向( z) 上既观察不到 Ey 分量,也不会有 Ez 分量(横波特性) ,因此就观测不到与ΔM = 0相应的π偏振谱线.在与磁场垂直的方向上只能观测到与磁场平行的 Ez 分量,即与磁场平行的π偏振谱线.
3．反常塞曼效应的实验与理论解释
3.1反塞曼效应实验现象
现在以钠为例对反常塞曼效应现象作一叙述。把钠光源放入适当强度磁场中,在垂直磁场观察时,其
D1(589.593nm)和D2(588.996nm)两线各分裂成四条
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