塞曼效應(yīng)（漢語(yǔ)拼音：Saiman Xiaoying；英語(yǔ)：Zeeman Effect）是指原子在磁場(chǎng)中能級(jí)和光譜發(fā)生分裂的現(xiàn)象。1896年D.塞曼發(fā)現(xiàn)原子在足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中光譜線發(fā)生分裂，在垂直磁場(chǎng)方向觀察到分裂為3條，裂距與磁場(chǎng)大小成正比。中間的譜線與不存在磁場(chǎng)時(shí)的波長(zhǎng)相同，但它是線偏振光，振動(dòng)方向與磁場(chǎng)平行；兩邊的兩條譜線是振動(dòng)方向與磁場(chǎng)垂直的線偏振光。在平行磁場(chǎng)方向觀察，只能看到兩邊的兩條譜線，它們是圓偏振光(見(jiàn)光的偏振)。H.A.洛倫茲用經(jīng)典電磁理論作了解釋。后來(lái)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)許多原子的光譜線在磁場(chǎng)中分裂更為復(fù)雜。人們把塞曼原來(lái)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象稱為正常塞曼效應(yīng)，更為復(fù)雜的稱為反常塞曼效應(yīng)。
全面解釋塞曼效應(yīng)須用量子理論，并須考慮電子自旋，電子自旋磁矩與軌道磁矩耦合為總磁矩，它們是空間量子化的，在外磁場(chǎng)作用下引起的附加能量不同，造成能級(jí)分裂，從而導(dǎo)致光譜線的分裂。正常塞曼效應(yīng)是總自旋為零時(shí)原子能級(jí)和光譜在磁場(chǎng)中的分裂；反常塞曼效應(yīng)是總自旋不為零的原子能級(jí)和光譜線在磁場(chǎng)中的分裂。
起源發(fā)展
編輯本段
1896年，荷蘭物理學(xué)家塞曼使用半徑10英尺的凹形羅蘭光柵觀察磁場(chǎng)中的鈉火焰的光譜，他發(fā)現(xiàn)鈉的D譜線似乎出現(xiàn)了加寬的現(xiàn)象。這種加寬現(xiàn)象實(shí)際是譜線發(fā)生了分裂。隨后不久，塞曼的老師、荷蘭物理學(xué)家洛侖茲應(yīng)用經(jīng)典電磁理論對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。他認(rèn)為，由于電子存在軌道磁矩，并且磁矩方向在空間的取向是量子化的，因此在磁場(chǎng)作用下能級(jí)發(fā)生分裂，譜線分裂成間隔相等的3條譜線。塞曼和洛侖茲因?yàn)檫@一發(fā)現(xiàn)共同獲得了1902年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 1897年12月，普雷斯頓（T.supeston）報(bào)告稱，在很多實(shí)驗(yàn)中觀察到光譜線有時(shí)并非分裂成3條，間隔也不盡相同，人們把這種現(xiàn)象叫做為反常塞曼效應(yīng)，將塞曼原來(lái)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象叫做正常塞曼效應(yīng)。反常塞曼效應(yīng)的機(jī)制在其后二十余年時(shí)間里一直沒(méi)能得到很好的解釋，困擾了一大批物理學(xué)家。1925年，兩名荷蘭學(xué)生烏侖貝克（G.E.Uhlenbeck，1900--1974）和古茲米特（S.A.Goudsmit，1902--1978）提出了電子自旋假設(shè)，很好地解釋了反常塞曼效應(yīng)。
應(yīng)用正常塞曼效應(yīng)測(cè)量譜線分裂的頻率間隔可以測(cè)出電子的荷質(zhì)比。由此計(jì)算得到的荷質(zhì)比數(shù)值與約瑟夫·湯姆生在陰極射線偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的電子荷質(zhì)比數(shù)量級(jí)是相同的，二者互相印證，進(jìn)一步證實(shí)了電子的存在。
塞曼效應(yīng)也可以用來(lái)測(cè)量天體的磁場(chǎng)。1908年美國(guó)天文學(xué)家海爾等人在威爾遜山天文臺(tái)利用塞曼效應(yīng)，首次測(cè)量到了太陽(yáng)黑子的磁場(chǎng)。 1912年，帕邢和拜克（E.E.A.Back）發(fā)現(xiàn)在極強(qiáng)磁場(chǎng)中，反常塞曼效應(yīng)又表現(xiàn)為三重分裂，叫做帕邢－拜克效應(yīng)。這些現(xiàn)象都無(wú)法從理論上進(jìn)行解釋，此后二十多年一直是物理學(xué)界的一件疑案。正如不相容原理的發(fā)現(xiàn)者泡利后來(lái)回憶的那樣：“這不正常的分裂，一方面有漂亮而簡(jiǎn)單的規(guī)律，顯得富有成果；另一方面又是那樣難于理解，使我感覺(jué)簡(jiǎn)直無(wú)從下手。"
1921年，德國(guó)杜賓根大學(xué)教授朗德（Landé）發(fā)表題為：《論反常塞曼效應(yīng)》的論文，他引進(jìn)一因子g代表原子能級(jí)在磁場(chǎng)作用下的能量改變比值，這一因子只與能級(jí)的量子數(shù)有關(guān)。
1925年，烏倫貝克與哥德斯密特"為了解釋塞曼效應(yīng)和復(fù)雜譜線"提出了電子自旋的概念。1926年，海森伯和約旦引進(jìn)自旋S，從量子力學(xué)對(duì)反常塞曼效應(yīng)作出了正確的計(jì)算。由此可見(jiàn)，塞曼效應(yīng)的研究推動(dòng)了量子理論的發(fā)展，在物理學(xué)發(fā)展史中占有重要地位。?
塞曼效應(yīng)，英文：Zeeman effect，是1896年由荷蘭物理學(xué)家塞曼發(fā)現(xiàn)的。他發(fā)現(xiàn)，原子光譜線在外磁場(chǎng)發(fā)生了分裂。隨后洛侖茲在理論上解釋了譜線分裂成3條的原因。這種現(xiàn)象稱為“塞曼效應(yīng)”。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，很多原子的光譜在磁場(chǎng)中的分裂情況非常復(fù)雜，稱為反常塞曼效應(yīng)。完整解釋塞曼效應(yīng)需要用到量子力學(xué)，電子的軌道磁矩和自旋磁矩耦合成總磁矩，并且空間取向是量子化的，磁場(chǎng)作用下的附加能量不同，引起能級(jí)分裂。在外磁場(chǎng)中，總自旋為零的原子表現(xiàn)出正常塞曼效應(yīng)，總自旋不為零的原子表現(xiàn)出反常塞曼效應(yīng)。塞曼效應(yīng)是繼1845年法拉第效應(yīng)和1875年克爾效應(yīng)之后發(fā)現(xiàn)的第三個(gè)磁場(chǎng)對(duì)光有影響的實(shí)例。塞曼效應(yīng)證實(shí)了原子磁矩的空間量子化，為研究原子結(jié)構(gòu)提供了重要途徑，被認(rèn)為是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。利用塞曼效應(yīng)可以測(cè)量電子的荷質(zhì)比。在天體物理中，塞曼效應(yīng)可以用來(lái)測(cè)量天體的磁場(chǎng)。
反常效應(yīng)
只有自旋為單態(tài)，即總自旋為0的譜線才表現(xiàn)出正常塞曼效應(yīng)。非單態(tài)的譜線在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出反常塞曼效應(yīng)，譜線分裂條數(shù)不一定是3條，間隔也不一定是一個(gè)洛侖茲單位。
鈉D線在磁場(chǎng)中的反常塞曼效應(yīng)。
鈉D線在磁場(chǎng)中的反常塞曼效應(yīng)。
譜線分裂成4條，中間兩條是π線，外側(cè)兩條分別是σ+線和σ-線。589.0nm的譜線是 P態(tài)向 S態(tài)躍遷產(chǎn)生的， P態(tài)能級(jí)在外磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)分裂成四個(gè)子能級(jí)，因此589.0nm的譜線分裂成6條。中間兩條π線，外側(cè)兩邊各兩條σ線。
實(shí)際用途
1. 由塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果去確定原子的總角動(dòng)量量子數(shù)J值和朗德因子g值，進(jìn)而去確定原子總軌道角動(dòng)量量子數(shù)L和總自旋量子數(shù)S的數(shù)值。
2. 由物質(zhì)的塞曼效應(yīng)分析物質(zhì)的元素組成。
3.原子吸收、原子發(fā)射光學(xué)背景校正技術(shù)。
