塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、塞曼效應(yīng)簡介塞曼效應(yīng)是指原子在外磁場中發(fā)光譜線發(fā)生分裂且偏振 的現(xiàn)象，也就是外加磁場會使原子產(chǎn)生更多不同頻率的特征譜線的偏振光。歷史 上首先觀測到并給予理論解釋的是譜線一分為三的現(xiàn)象，后來又發(fā)現(xiàn)了較三分裂 現(xiàn)象更為復(fù)雜的難以解釋的情況，因此稱前者為正常或簡單塞理效應(yīng)，后者為反 ?；驈?fù)雜塞曼效應(yīng)。二、塞曼效應(yīng)的機(jī)理分析1、光的本質(zhì)光可以分為可見光與不可見光。實(shí)質(zhì)上就是不同頻率的變化電 場與磁場，但人類目前通常稱其為電磁波。實(shí)際上這種稱謂是存在不準(zhǔn)確、不全 面的問題的：一方面，恒定電場與磁場也是光的一局部，但不宜稱其為電磁波； 另一方面，電場與磁場在真空中并不能相互激勵而形成所

2、謂的電磁波。否那么，地球上就不會有黑夜了，夜晚地面高空的太陽光應(yīng)該相互激勵產(chǎn)生向 各個方向傳遞的次生光并照亮地面才對。天空也不應(yīng)該黑暗無光，而是會出現(xiàn)處 處發(fā)光的景象才對。因?yàn)槿我饪臻g位置上的任意時(shí)刻的電場和磁場都是在隨時(shí)間 變化的，如果變化的電場和磁場能產(chǎn)生次生電場和磁場并形成電磁波的話，那么所 有空間位置上都應(yīng)成為光源并向各個方向發(fā)光。但實(shí)際情況并非如此。這就證明變化的電場和磁場并不能相互激勵并產(chǎn)生向各個方向傳遞的電磁 波。目前有許多直接證據(jù)證明：光的本質(zhì)是由不同帶電體（整體帶電物體或單個 帶電粒子或多種帶電粒子組成的恒定或不恒定帶電組合體，如原子等）在相對觀 測者或測量裝置出現(xiàn)不同運(yùn)動狀

3、態(tài)時(shí)產(chǎn)生的時(shí)變電場與/或磁場。也就是說：光既不是電磁波，也不是光（量）子，更不具有波粒二象性。光 只是電荷與電荷間存在的庫侖力和磁力的表現(xiàn)形式之一：電場是電荷間存在的庫 侖力的歸一化、磁場是運(yùn)動電荷間存在的磁力的歸一化。2、物質(zhì)發(fā)光的基本規(guī)律光的本質(zhì)只是電荷產(chǎn)生的電場和磁場。因此，光源 的類型與電荷的分布與運(yùn)動及變化方式直接相關(guān)。對光源的分類方法也很多，主 要可以按電荷的分布情況、電荷隨時(shí)間變化規(guī)律等進(jìn)行分類。按光源的組成方式分類可分為二種：單電荷光源，多電荷光源。目前 人類所遇到的幾乎都是多電荷光源；按光源的發(fā)光方式分類可分有三種：一是自發(fā)光光源；二是被動發(fā)光 光源或稱作強(qiáng)迫發(fā)光光源；三是復(fù)

4、合光源。自發(fā)光光源：物體產(chǎn)生的所謂黑體輻射或溫度型電磁輻射就屬于自 發(fā)光型。它遵循普朗克黑體輻射公式所描述的頻率與輻射強(qiáng)度關(guān)系。即輻射強(qiáng)度 峰值所對應(yīng)的頻率由物體的溫度決定；輻射頻率為連續(xù)頻率譜；輻射強(qiáng)度與頻率 間的關(guān)系為類似的正態(tài)分布。詳見下列圖所示：強(qiáng)迫發(fā)光光源：當(dāng)外電場和磁場迫使電荷改變運(yùn)動狀態(tài)，或外來光 照射到介質(zhì)上時(shí)，電荷在外電場和磁場或入射光的作用下，其中的原子中的電子 和原子核會朝相反的方向改變運(yùn)動狀態(tài)，從而導(dǎo)致原子被極化為與入射光主頻相 近的時(shí)變電偶極矩之電偶極子并產(chǎn)生所謂的反射、散射、折射、透射、衍射和繞 射等次生光。由于被入射光極化的原子的電偶極矩變化與入射光主頻相近，其產(chǎn)

5、生的次生 光的主頻也與入射光相近，但相位會相差半個周期。而入射光在此過程中會被次 生光所逐漸抵消而消失。因?yàn)榇紊馀c入射光的相位相差半個周期，兩者相互疊 加的結(jié)果將相互抵消一局部電場和磁場的強(qiáng)度。這也是反射光存在半波損失的根 本原因所在，也是所謂介質(zhì)吸收光的機(jī)理：并不是真的是介質(zhì)將入射光吸收了一 局部，而是介質(zhì)產(chǎn)生的次生光將入射光抵消了一局部?；旌习l(fā)光光源：由于任何物體的溫度均不可能為絕對零度，因此， 它們都會在不停地發(fā)光（溫度較低時(shí)產(chǎn)生的光主要為不可見光，一般溫度大于 500度時(shí)才能產(chǎn)生可見光）。當(dāng)物體在外來光源照射環(huán)境下時(shí)，就會成為即自發(fā) 光，還產(chǎn)生次生光的復(fù)合光源。地球外表上的物質(zhì)在太陽

6、光照射下都是這類復(fù)合 光源。只有當(dāng)太陽下山后，天黑下來了，地面物體才成為了自發(fā)光物體了。3、光與磁場相互作用規(guī)律鑒于光就是時(shí)變的電場與/或磁場。因此，在真空 中，光與磁場間的相互作用規(guī)律只能是光產(chǎn)生的磁場與外加磁場遵循矢量疊加原 理，并不能相互影響與改變彼此。而在非真空中，光可以使介質(zhì)中的原子發(fā)生極 化，磁場也可以使介質(zhì)中的帶電體（電子與原子核）改變運(yùn)動速度與方向。總之， 在介質(zhì)中，光也不可能與外加磁場直接發(fā)生相互作用并使次生光（無論是反射/ 散射.、折射/透射光）改變運(yùn)動或偏振方向，特別是外加磁場為恒定磁場時(shí)。4、塞曼效應(yīng)機(jī)理分析因?yàn)樵釉谕饧雍愣ù艌龅淖饔孟?，圍繞原子核運(yùn)動 的電子的運(yùn)動軌

7、道面就會發(fā)生朝垂直于外加磁場方向平面靠近/遠(yuǎn)離的傾向，即 電子的運(yùn)動軌道平面趨向于向外加恒定磁場的法向平面靠攏/遠(yuǎn)離的情形，從而 導(dǎo)致原子所產(chǎn)生的光或次生光的振動方向會相近而出現(xiàn)偏振現(xiàn)象了。而電子圍繞原子核運(yùn)動的方向有可能順時(shí)針，也可能逆時(shí)針方向（不同運(yùn)動 方向的電子之運(yùn)動速度會存在些許差異），還有局部電子在原有的、平行于外磁 場方向平面內(nèi)圍繞原子核運(yùn)動。位于不同軌道平面圍繞原子核運(yùn)動的電子的運(yùn)動 速度會存在一定差異，也就導(dǎo)致圍繞原子核的運(yùn)動頻率也出現(xiàn)些許差異。因此，原來一種軌道平面就會分裂為三種軌道平面：運(yùn)動軌道平面不變的電 子、趨向/遠(yuǎn)離外加恒定磁場法向平面的順時(shí)針與逆時(shí)針運(yùn)動的電子。三種

8、不同 運(yùn)動狀態(tài)的電子所對應(yīng)的原子核繞質(zhì)心運(yùn)動狀態(tài)也會從一種變成三種不同狀態(tài), 從而導(dǎo)致當(dāng)電子被剝離后原子核產(chǎn)生的原子特征光譜線從一條變成三條。當(dāng)原子 核外部的電子數(shù)量較多時(shí)，離原子核距離不同軌道上及不同軌道平面上的電子受 到外加恒定磁場的影響就會存在差異（不同軌道及軌道平面上的電子在外加恒定 磁場作用下改變軌道平面的程度不同，其圍繞原子核的運(yùn)動頻率自然也會不同， 原子核圍繞質(zhì)心運(yùn)動的頻率也就不同，其產(chǎn)生的特征譜線就會不同），從而導(dǎo)致 特征譜線可能出現(xiàn)更多的分裂現(xiàn)象。也就是原來的一條譜線，在外加磁場的作用下可能分裂成三條以上的譜線的 現(xiàn)象。如所示：當(dāng)綠色的電子從右上向右下圍繞原子核逆時(shí)針（紅色箭

9、頭所示） 運(yùn)動（左側(cè)在紙面以上，右側(cè)在紙面以下）時(shí)，那么左側(cè)受外加磁場產(chǎn)生的力（紅 色箭頭所示）向紙面左下方；右側(cè)那么向紙面右上方。電子運(yùn)動的軌道平面將向左 旋轉(zhuǎn)；而電子圍繞原子核的運(yùn)動方向相反（黃色箭頭所示）時(shí)，電子的受力方向 也相反（黃色箭頭所示），電子運(yùn)動的軌道平面將向右旋轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)同一原子或不同原子中同時(shí)存在向不同方向運(yùn)動的電子時(shí)，在同一 外加恒定磁場的作用下，電子的軌道平面會朝相反的方向偏轉(zhuǎn)。從而導(dǎo)致原來的 一種電子運(yùn)動軌道平面變成三種不同的軌道平面。另一方向，外加磁場施加在電 子上的磁力不僅會改變其運(yùn)動軌道平面，同時(shí)會改變其I韋I繞原子核的運(yùn)動速度 （沿電子運(yùn)動方向的磁力分量會使

10、電子的運(yùn)動速度發(fā)生變化），從而導(dǎo)致電子圍 繞原子核的運(yùn)動頻率發(fā)生一定的變化。也就會導(dǎo)致特征譜線的頻率隨之發(fā)生細(xì)微 變化。同時(shí)，與外加磁場方向夾角不同的電子軌道平面上的電子所受到的磁力也會 存在一定的變化。因此，對于原子量（電子數(shù)量）較大的元素原子而言，由于處 于不同軌道平面內(nèi)的電子受到外加磁場作用力的大小與方向的不同，軌道面的改 變程度也會不同，從而導(dǎo)致塞理效應(yīng)復(fù)雜化?？傊?yīng)是外加磁場改變了原子中電子運(yùn)動軌道平面和圍繞原子核的 運(yùn)動頻率，從而導(dǎo)致原子核圍繞質(zhì)心的運(yùn)動頻率不同，原子核在電子失去期間所 產(chǎn)生的光譜自然也會發(fā)生頻率和偏振方向的變化。將電子圍繞原子核運(yùn)動產(chǎn)生的 磁場視為垂直于軌

11、道平面的磁偶極子，并在外加磁場的作用下磁偶極子的方向和 偶極矩將隨之變化也可以解釋塞曼效應(yīng)。但并不能直觀地描述電子在圍繞原子核 運(yùn)動一個周期期間內(nèi)電子在不同位置上實(shí)際受到的外加磁場所產(chǎn)生的磁力的變 化情況，因?yàn)殡娮邮艿酱帕Φ拇笮∨c方向不僅與外加恒定磁場的方向與大小有關(guān), 還與電子自身的運(yùn)動速度與運(yùn)動方向有關(guān)。電子圍繞原子核的運(yùn)動速度雖然變化不大，但運(yùn)動方向的不斷變化也會導(dǎo)致 受到外加恒定磁場的磁力的大小與方向不斷變化。三、塞曼效應(yīng)的物理意義1、 塞曼效應(yīng)證明：電子圍繞原子核運(yùn)動的軌道面和周期是相對穩(wěn)定的，并非像量子 力學(xué)所描述的那樣，電子是概率分布或云狀分布于原子核周圍的。否那么，就不會出現(xiàn)原子核失去電子期間由原子核產(chǎn)生固定頻率的電磁輻射一 一原子特征線性譜線；3、塞曼效應(yīng)證明：