塞曼分裂为什么证明原子具有磁矩？

塞曼效应是指原子在外磁场中发光谱线发生分裂且偏振的现象；历史上首先观测到并给予理论解释的是谱线一分为三的现象，后来又发现了较三分裂现象更为复杂的难以解释的情况，因此称前者为正常或简单塞曼效应，后者为反常或复杂塞曼效应。

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。

实际用途：

1、由塞曼效应实验结果去确定原子的总角动量量子数J值和朗德因子g值,进而去确定原子总轨道角动量量子数L和总自旋量子数S的数值。

2、由物质的塞曼效应分析物质的元素组成。

发现者简介：彼得塞曼，生于1865年5月25日，是一位荷兰科学家，由于他发现了塞曼效应的出色工作，与亨德里克·洛伦兹分享了1902年的诺贝尔物理学奖。1943年10月9号，塞曼病逝于阿姆斯特丹。

塞曼效应是指原子光谱在外加磁场下发生分裂。

电子的自旋运动会产生环电流，进而会产生磁场；在外磁场作用下，同一轨道中自旋不同的电子能量不同导致了原子光谱的分裂。

我们可以通过考虑和不考虑外加磁场时的薛定谔方程表达式来解释塞曼效应：

不考虑外加磁场时薛定谔方程的表达式是：HΨ=EΨ， 在这个表达式中能量只与n、l和m有关，而与磁量子数无关，也就是说与电子的自旋无关，所以具有同样的n、l和m的电子[也就是同一轨道中自旋反平行的两个电子]具有相同的能量；测试原子光谱时只有一条谱线。

考虑外加磁场时薛定谔方程的表达式：(H+Hb)Ψ=(E+Eb)Ψ, 此时Hb表示的是外加磁场对体系哈密顿量的影响, (H+Hb)是有外加磁场时的哈密顿量；Eb则有外场时Hb所对应的能量值，(E+Eb)是有外磁场时体系的能量；由于在外加磁场下自旋不同的电子有不同的能量，Eb值不同,所以在外磁场存在时原子光谱发生了分裂。

塞曼效应

塞曼效应是原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象。塞曼效应是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的.他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂。随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成3条的原因。这种现象称为“塞曼效应”。进一步的研究发现，很多原子的光谱在磁场中的分裂情况非常复杂，称为反常塞曼效应。完整解释塞曼效应需要用到量子力学，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。在外磁场中，总自旋为零的原子表现出正常塞曼效应，总自旋不为零的原子表现出反常塞曼效应。塞曼效应是继1845年法拉第效应和1875年克尔效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例。塞曼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。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场。

塞曼效应的历史

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1896年，荷兰物理学家塞曼使用半径10英尺的凹形罗兰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。随后不久，塞曼的老师、荷兰物理学家洛仑兹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。塞曼和洛仑兹因为这一发现共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。

1897年12月，普雷斯顿(T.supeston)报告称，在很多实验中观察到光谱线有时并非分裂成3条，间隔也不尽相同，人们把这种现象叫做为反常塞曼效应，将塞曼原来发现的现象叫做正常塞曼效应。反常塞曼效应的机制在其后二十余年时间里一直没能得到很好的解释，困绕了一大批物理学家。1925年，两名荷兰学生乌仑贝克(G.E.Uhlenbeck,1900--1974)和古兹米特(S.A.Goudsmit,1902--1978)提出了电子自旋假设，很好地解释了反常塞曼效应。

应用正常塞曼效应测量谱线分裂的频率间隔可以测出电子的荷质比。由此计算得到的荷质比数值与约瑟夫·汤姆生在阴极射线偏转实验中测得的电子荷质比数量级是相同的，二者互相印证，进一步证实了电子的存在。

塞曼效应也可以用来测量天体的磁场。1908年美国天文学家海尔等人在威尔逊山天文台利用塞曼效应，首次测量到了太阳黑子的磁场。

正常塞曼效应的理论解释

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不加外磁场时，原子在两个能级E1和E2（E12）之间跃迁的能量差为

:\Delta E = h\nu = E_ - E_

原子核的磁矩比电子磁矩小大约三个数量级。如果只考虑电子的磁矩对原子总磁矩的贡献，那么磁场引起的附加能量为

:\Delta U = -\mathbf{\mu}\cdot\mathbf = -\mu_B = m_g_\mu_B

这里将磁感应强度B的方向取为z轴方向，μZ是磁矩在z方向上的投影。mJ是电子总角动量J在z方向投影的量子数，可以取-J,-J+1,…J-1,J共2J+1个值，gJ是电子总角动量的朗德因子，μB是玻尔磁子。

这样，原子的每一个能级分裂成若干分立的能级，两个能级之间跃迁的能量差为：

:\Delta E' = h\nu ' = E'_ - E'_ = E_ - E_ + (m_g_ - m_g_)\mu_B

对于自旋为零的体系有g_=g_=1。由于跃迁的选择定则\Delta m_ = m_ - m_ = 0,\pm 1，频率ν只有三个数值：

:h\nu ' =h\nu + \left\{\begin \mu_B\0\-\mu_B\end\right\}

因此一条频率为ν的谱线在外磁场中分裂成三条谱线，相互之间频率间隔相等，为\frac{\mu_B}。洛仑兹应用经典电磁理论解释了正常塞曼效应，计算出了这个频率间隔。通常把这个能量差的波数间隔\Delta(\frac{\lambda})=\frac{\mu_B}=\frac{e\hbar B}=\frac{4\pi m_c}\approx 46.7B m^T^称为洛仑兹单位，符号\hat。

镉的643.847nm（1D2态向1P1态的跃迁）谱线在磁场不太强时就是表现出正常塞曼效应。这两个态的g都等于1，在外磁场中，1D2分裂成5个子能级，1P1分裂成3个子能级，由于选择定则，这些子能级之间有9种可能的跃迁，有3种可能的能量差值，所以谱线分裂成3条。

塞曼效应的偏振特性

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对于Δm=+1，原子在磁场方向的角动量减少了一个\hbar，由于原子和光子的角动量之和守恒，光子具有与磁场方向相同的角动量\hbar，方向与电矢量旋转方向构成右手螺旋，称为σ+偏振，是左旋偏振光。反之，对于Δm=-1，原子在磁场方向的角动量增加了一个\hbar，光子具有与磁场方向相反的角动量\hbar，方向与电矢量旋转方向构成左手螺旋，称为σ-偏振，是右旋偏振光。对于Δm=0，原子在磁场方向的角动量不变，称为π偏振。如果沿磁场方向观察，只能观察到σ+和σ-谱线的左旋偏振光和右旋偏振光，观察不到π偏振的谱线。如果在垂直于磁场方向观察，能够观察到原谱线分裂成3条：中间一条是π谱线，是线偏振光，偏振方向与磁场方向平行，σ+和σ-线分居两侧，同样是线偏振光，偏振方向与磁场方向垂直。

反常塞曼效应

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只有自旋为单态，即总自旋为0的谱线才表现出正常塞曼效应。非单态的谱线在磁场中表现出反常塞曼效应，谱线分裂条数不一定是3条，间隔也不一定是一个洛仑兹单位。

例如钠原子的589.6nm和589.0nm的谱线，在外磁场中的分裂就是反常塞曼效应。589.6nm的谱线是2P1/2态向2S1/2态跃迁产生的谱线。当外磁场不太强时，在外磁场作用下，2S1/2态能级分裂成两个子能级，2P1/2态也分裂成两个子能级，但由于两个态的朗德因子不同，谱线分裂成4条，中间两条是π线，外侧两条分别是σ+线和σ-线。589.0nm的谱线是2P3/2态向2S1/2态跃迁产生的，2P3/2态能级在外磁场不太强时分裂成四个子能级，因此589.6nm的谱线分裂成6条。中间两条π线，外侧两边各两条σ线。

逆塞曼效应

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实验中不仅可以观察到光谱发射线的塞曼效应，吸收线也会发生塞曼效应，这被称为逆塞曼效应。

塞曼(Pieter Zeeman)是荷兰著名的实验物理学家、“塞曼效应”的发现者，1865年5月25日出生于荷兰泽兰省斯科威岛的小村庄宗内迈尔—名路德教教长的家里。

1896年8月，塞曼在用半径为10英寸(1英寸=2.54厘米)的凹形罗兰光栅观察强磁场中钠火焰的光谱时，发现在垂直于磁场方向黄色D线变宽。10月，他在平行于磁场方向同样观察到这种现象，另外，吸收光谱的情况与此类似。尔后塞曼使用了比钠D线更细的由镉产生的深绿谱线，加大了磁场(由几千高斯到几万高斯)，提高了探测的精度，证实光谱线不是单纯地增宽，而是如洛伦兹所预言的分裂为两条或三条分线，且各分线是偏振的。这种光源在强磁场中谱线分裂成二、三条偏振化分线的现象，称为“塞曼效应”。

“塞曼效应”是探索原子内部精细结构和各组成部分性质的有用工具。利用它可算出电子的磁矩，可算出原子的角动量从而确定原子的能级。它对泡利不相容原理的提出和电子自旋的发现均起过重大作用。它与量子力学原理完全符合，成为量子力学的重要实验证明。它为研究电子顺磁共振现象和原子核性质(核能态、核磁矩等)提供了一种有效的手段。“塞曼效应”还可用来测量等离子体的磁场，并可将它与用磁探针法测得的结果相比较。在天文学中，应用它来测量太阳和其他恒星表面的磁场。

为表彰塞曼和他的老师——经典电子论的创立者——洛伦兹在研究磁场对光的效应领域所做出的卓越贡献，瑞典皇家科学院给他们颁发了1902年诺贝尔物理学奖。

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