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塞曼效应实验简介 胥潇潇* （复旦大学学院，上海 200433） 关键词：塞曼效应；F-P标准具；气压扫描 1实验简介（introduction） 1.1塞曼效应的简介 塞曼效应是属于原子物理范畴的一个著名实验，它是研究原子的光谱受磁场影响的一个基础性实验。 1.2塞曼效应的历史意义 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。 塞曼效应是继法拉第磁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、分子结构有更多了解，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，塞曼与洛仑兹因发现塞曼效应而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）。 2实验目的（experimental purposes） 掌握法布里—珀罗标准具的原理和使用; 学习观察低压汞灯的谱线在磁场中塞曼分裂谱线,并测定它们的裂距和偏振态; 从谱线的塞曼裂距可确定原子能级的J值及相应的g值。如果原子遵从LS藕和，则可由g值判断该能级的L和S值。 3实验原理[1]（experimental principles） 3.1原子的总磁矩与总角动量距的关系 塞曼效应的产生是由于原子的总磁矩（轨道磁矩和自旋磁矩）受外磁场作用的结果。在忽略核磁矩的情况下，原子中电子的轨道磁矩(L和自旋磁矩(S合成原子的总磁矩(J，与电子的轨道角动量L，自旋角动量S合成总角动量J之间的关系，可用图2来计算。 已知： (L=（e /2m）L=， (S=（e/m）S=, L= ……（1） S = ……（2） 图1（a） 图1（b）L, S分别表示轨道量子数和自旋量子数，e, m分别为电子的电荷和质量，和分别称为电子的轨道g因子和自旋g因子，(B为玻尔磁子,它是量度原子磁矩的自然单位： =0.5788×10-4eV/T …… （3） 3.1.1对于单电子原子 单电子原子的总磁矩应包括三部分，即原子核的磁矩与电子的轨道磁矩和自旋磁矩，但是前者比后两者要小三个数量级，因此在计算总磁矩是一般不计入原子核的磁矩，所以电子的总磁矩(为 …… （4） 由于原子中带电粒子的轨道运动要产生磁场，它与电子自旋产生的自旋磁矩就有自旋-轨道相互作用，电子的轨道角动量L和自旋角动量S不断地绕总角动量旋进。这时，(L和(S也随之绕J旋进，因此，原子的总磁矩(不在总角动量J的延长线上，而是绕J的延线旋进。在有外磁场时，由于垂直分量绕J旋进不断改变方向，因此与外磁场的相互作用等于零（时间平均），而平行于J的分量是恒定的，与外磁场有确定的相互作用，但是，当外磁场较弱时，L和S绕J的旋进不受影响，原子的总磁矩中起实际作用的只是平行于J的分量，用(J表示这一分量，称为原子的有效磁矩，在进行矢量迭加运算后，得到有效(J为： =g …… （5） 其中g为朗德因子， …… （6） 以=1，=2及单电子原子的j2 , l2 和s2的本征值j(j+1),l(l+1)和s(s+1)代入上式，即得到单电子原子的g因子为 g=1+ …… （7） 图2 角动量和磁矩矢量图 图3角动量旋进 3.1.2对于多电子原子 有效磁矩与原子总角动量J之间的关系仍为 =g …… （8） 但g因子将随角动量的不同耦合而异。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。 各电子的轨道角动量l先合成为总轨道角动量L，各电子的自旋角动量s，先合成为总自旋角动量S。由于满壳层中电子的总轨道角动量和电子的总自旋角动量都为零，它们对总磁矩的贡献当然也等于零，所以计算L和S只需对未满壳层中电子进行累加即可。如果原子的未满壳层中只有两个电子，这时有 …… （9） 由于L1与 S1先耦合成J1 ，L2与S2先耦合成J2，因此