正常Zeeman效应及其理论分析

正常Zeeman效应及其理论分析

本科毕业论文

题目：正常 Zeeman效应及其理论分析

正常Zeeman效应及其理论分析

目 录

1 引言.............................................................. 1

2 Zeeman效应的简单介绍 ............................................. 1

2.1 Zeeman效应的发现 ............................................. 1

2.2 Zeeman初期对二重分裂和三重分裂的研究 ......................... 2

3 Zeeman效应的分类 ................................................. 3

3.1 正常Zeeman效应 ............................................... 3

3.2反常Zeeman效应 ............................................... 3

4 正常Zeeman效应的实验原理......................................... 4

4.1 原子磁矩和轨道角动量的关系及外磁场对原子能级的作用 ............ 4

4.2 跃迁选择定则 .................................................. 6

5 正常Zeeman效应的理论解释......................................... 7

5.1 正常Zeeman效应的经典理论解释 ................................. 7

5.2正常Zeeman效应效应的半经典半量子理论解释 ..................... 9

5.3 现代量子理论对正常Zeeman效应的理论解释 ...................... 11

6 正常Zeeman效应的偏振特性及其理论解释............................ 14

6.1正常Zeeman效应的偏振现象的描述 .............................. 14

6.2正常Zeeman效应偏振特性的理论解释 ............................ 14

7. 正常效应与反常Zeeman效应的简单比较............................. 15

8 Zeeman效应的物理意义和现代科学中的应用 .......................... 16

8.1 Zeeman效应的物理意义 ........................................ 16

8.2 效应在现代中的应用 ........................................... 17

9结论 ............................................................. 17

参考文献........................................................... 18 致谢............................................... 错误！未定义书签。

正常Zeeman效应及其理论分析

正常Zeeman效应及其理论分析

摘要：强磁场作用下光谱线分裂效应，也称为Zeeman效应。它的产生是因原子磁矩和外加磁场作用引起的结果。要完整解释Zeeman效应需要用到量子力学理论，因为电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取向是量子化的，磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。

本文中首先阐述Zeeman效应的发现史、种类、原理，对正常Zeeman效应从三个方面进行了比较性的理论分析，并从原子跃迁选择定则出发，根据角动量守恒定律分析光子的自旋角动量方向与偏振的关系，最后对正常和反常Zeeman效应进行简单比较。

关键词： Zeeman效应；光谱线；角动量；偏振；原子能级；

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1 引言

当光源放在足够强的外磁场中时光谱线会发生分裂，这种现象一般称为Zeeman效应，它是1896年由荷兰物理学家Zeeman首先发现的。Zeeman发现，在足够强的外磁场中，光源所发出的每条光谱线都被分裂成波长相差很小的偏振化的分谱线。随后不久，Zeeman的老师、荷兰物理学家Lorentz应用经典电磁理论对这种现象进行了解释。他认为，由于电子存在轨道磁矩，并且磁矩方向在空间的取向是量子化的，因此在磁场作用下能级发生分裂，谱线分裂成间隔相等的3条谱线。Zeeman和Lorentz因为这一发现共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。

Zeeman效应是1845年Faraday效应和1875年?err效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例。Zeeman效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。Zeeman还根据谱线的增宽，估算了这一带电粒子的荷质比em，数量级为107，这时正好是J.J.Tamson宣布发现电子之前几个月。J.J.Tamson从阴极射线也测量了荷质比，和Zeeman测量所得数量级相同，这一结果就成了电子存在的重要证据。

要完整解释Zeeman效应需要用到量子力学理论，因为电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取向是量子化的，磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。

2 Zeeman效应的简单介绍

2.1 Zeeman效应的发现

1845年，英国伟大的物理学家Faraday将平面偏振光通过强磁场作用下的玻璃，发现光的偏振面发生旋转，后来进一步确定这是许多物质具有的普通性质。后来Faraday做了一个实验：把钠光的火焰放在电磁铁的两极之间，在加磁场和不加磁场两种情况下通过光谱仪观察钠光谱，希望能观察到由于磁场作用而引起的光谱的改变，但却并未观察到光谱线的变化。

1876年，苏格兰物理学家J.kerr发现,线偏振光垂直射在电磁铁的磨光磁极面上时，反射得到的光变为椭圆偏振光（即kerr磁光效应）。因此，电、磁和光之间的相互作用就成了19世纪末叶物理学家密切关注的对象。

Zeeman在研究磁场对光谱的影响时，得益于Lorentz的指导和Lorentz理论，从而做出了有重大意义的发现。1895年前后，Zeeman暂停kerr磁光效应的研究，想试一试磁场对纳火焰的光谱有没有影响。这个实验虽然没有成功，但是 1

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后来知道Faraday晚年曾亲自做过这个实验，他想Faraday这样伟大的科学家都重视这个实验，一定值得认真去做，于是就下决心用当时最好的设备再次进行实验。1896年， Zeeman利用最新的装置专心致志地反复进行了磁对光作用的实验。他把纳火焰放在很强的电磁铁的磁场中，并用分辨率很高的光栅观察磁场中的钠火焰的光谱，他发现钠的D谱线似乎出现了加宽的现象，这种加宽现象实际是谱线发生了分裂。

后来Zeeman把自己的发现以及所作的种种考察告知他的老师Lorentz。Lorentz向Zeeman指出，如果这个理论用得正确，就应该有下列结果：从增宽的谱线边缘发出的光，沿磁力线方向观察应是圆偏振光，进而可导致求出离子所带电荷与其质量的比值e/m。Zeeman用四分之一波片和检偏器，发现在磁场增宽的谱线边缘，从磁力线方向看去果然是圆偏振光。相反，如果从与磁力线成直角的方向观察，增宽了的钠谱线的边缘显示是平面偏振光，果然与Lorentz理论相符就这样，Zeeman既对他所发现的光谱增宽现象做出了合理的解释，又证明了电子的存在，对Lorentz电子论提供了令人信服的验验证。

2.2 Zeeman初期对二重分裂和三重分裂的研究

根据Lorentz的理论，可以推断出从垂直于磁场的方向观察，谱线应分裂为三条，从平行于磁场的方向观察，谱线应分裂为两条。利用强度较小的磁场，谱线仅仅会增宽。因此对于磁场的每一确定值，对沿磁力线方向的光，一条无限窄的谱线可以分裂为两条；而对于有限宽的谱线由磁力引起的谱线波长变化必须超过原来相应线宽的一半，才能看到是双线。其中一个分量在其全部宽度内是左旋的，而另一个则是右旋圆偏振光。在垂直于磁场方向观察时，如果磁力使谱线波长的改变达到原谱线的全部宽度时，才能观察到有限宽度的谱线三重分裂。因此产生三重分裂的磁场要达到二重分裂的磁场的两倍。1897年1月，Zeeman到阿姆斯特丹大学任教，开始进行磁场使镉的蓝谱线发生分裂的实验，在沿磁力线方向成功地完全分开了两个分量。

他还发现，当磁场很强时(他用了32000高斯)，不用尼科耳棱镜也可以看到清晰的镉的蓝谱线的三重分裂。借用格罗宁根大学的半径约为3m，每英寸10000条刻槽的光栅，观察钠谱线的分裂，用测微目镜测出两条D线分裂的位置。由于电磁铁励磁电流达20多安培，加上火焰的作用，电磁铁很热，不得不经常断电。他用测微目镜进行了多次测量，得出D1和D2的间距为288div、磁场约为22 400

高斯，磁场的改变而引起的光周期的改变量为1／17 800，因此得出m为

1.6?107。

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