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塞曼效应

塞曼效应是指原子在外磁场中发光谱线发生分裂且偏

振的现象称为塞曼效应;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。

原理简介

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)。

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详细内容

塞曼效应，英文:Zeemaneffect,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。

理论发展

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

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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，困扰了一大批物理

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。

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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。

1912年，帕邢和拜克(E.E.A.Back)发现在极强磁场中，

反常塞曼效应又表现为三重分裂，叫做帕邢-拜克效应。这些

现象都无法从理论上进行解释，此后二十多年一直是物理学

界的一件疑案。正如不相容原