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(jiǎn)介塞曼效應(yīng)是指原子在外磁場(chǎng)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(chǎng)會(huì)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(cè)到并給予理論解釋的是譜線一分為三的現(xiàn)象，后來(lái)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(chēng)前者為正常或簡(jiǎn)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(jiàn)光與不可見(jiàn)光。實(shí)質(zhì)上就是不同頻率的變化電 場(chǎng)與磁場(chǎng)，但人類(lèi)目前通常稱(chēng)其為電磁波。實(shí)際上這種稱(chēng)謂是存在不準(zhǔn)確、不全 面的問(wèn)題的：一方面，恒定電場(chǎng)與磁場(chǎng)也是光的一局部，但不宜稱(chēng)其為電磁波； 另一方面，電場(chǎng)與磁場(chǎng)在真空中并不能相互激勵(lì)而形成所

2、謂的電磁波。否那么，地球上就不會(huì)有黑夜了，夜晚地面高空的太陽(yáng)光應(yīng)該相互激勵(lì)產(chǎn)生向 各個(gè)方向傳遞的次生光并照亮地面才對(duì)。天空也不應(yīng)該黑暗無(wú)光，而是會(huì)出現(xiàn)處 處發(fā)光的景象才對(duì)。因?yàn)槿我饪臻g位置上的任意時(shí)刻的電場(chǎng)和磁場(chǎng)都是在隨時(shí)間 變化的，如果變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)能產(chǎn)生次生電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(gè)方向發(fā)光。但實(shí)際情況并非如此。這就證明變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)并不能相互激勵(lì)并產(chǎn)生向各個(gè)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(gè) 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(duì)觀 測(cè)者或測(cè)量裝置出現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)狀

3、態(tài)時(shí)產(chǎn)生的時(shí)變電場(chǎng)與/或磁場(chǎng)。也就是說(shuō)：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(kù)侖力和磁力的表現(xiàn)形式之一：電場(chǎng)是電荷間存在的庫(kù) 侖力的歸一化、磁場(chǎng)是運(yùn)動(dòng)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(chǎng)和磁場(chǎng)。因此，光源 的類(lèi)型與電荷的分布與運(yùn)動(dòng)及變化方式直接相關(guān)。對(duì)光源的分類(lèi)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(lèi)。按光源的組成方式分類(lèi)可分為二種：?jiǎn)坞姾晒庠?，多電荷光源。目?人類(lèi)所遇到的幾乎都是多電荷光源；按光源的發(fā)光方式分類(lèi)可分有三種：一是自發(fā)光光源；二是被動(dòng)發(fā)光 光源或稱(chēng)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(duì)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(lèi)似的正態(tài)分布。詳見(jiàn)下列圖所示：強(qiáng)迫發(fā)光光源：當(dāng)外電場(chǎng)和磁場(chǎng)迫使電荷改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或外來(lái)光 照射到介質(zhì)上時(shí)，電荷在外電場(chǎng)和磁場(chǎng)或入射光的作用下，其中的原子中的電子 和原子核會(huì)朝相反的方向改變運(yùn)動(dòng)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(huì)相差半個(gè)周期。而入射光在此過(guò)程中會(huì)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(gè)周期，兩者相互疊 加的結(jié)果將相互抵消一局部電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(duì)零度，因此， 它們都會(huì)在不停地發(fā)光（溫度較低時(shí)產(chǎn)生的光主要為不可見(jiàn)光，一般溫度大于 500度時(shí)才能產(chǎn)生可見(jiàn)光）。當(dāng)物體在外來(lái)光源照射環(huán)境下時(shí)，就會(huì)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(yáng)

6、光照射下都是這類(lèi)復(fù)合 光源。只有當(dāng)太陽(yáng)下山后，天黑下來(lái)了，地面物體才成為了自發(fā)光物體了。3、光與磁場(chǎng)相互作用規(guī)律鑒于光就是時(shí)變的電場(chǎng)與/或磁場(chǎng)。因此，在真空 中，光與磁場(chǎng)間的相互作用規(guī)律只能是光產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)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(chǎng)也可以使介質(zhì)中的帶電體（電子與原子核）改變運(yùn)動(dòng)速度與方向?？傊?在介質(zhì)中，光也不可能與外加磁場(chǎng)直接發(fā)生相互作用并使次生光（無(wú)論是反射/ 散射.、折射/透射光）改變運(yùn)動(dòng)或偏振方向，特別是外加磁場(chǎng)為恒定磁場(chǎng)時(shí)。4、塞曼效應(yīng)機(jī)理分析因?yàn)樵釉谕饧雍愣ù艌?chǎng)的作用下，圍繞原子核運(yùn)動(dòng) 的電子的運(yùn)動(dòng)軌

7、道面就會(huì)發(fā)生朝垂直于外加磁場(chǎng)方向平面靠近/遠(yuǎn)離的傾向，即 電子的運(yùn)動(dòng)軌道平面趨向于向外加恒定磁場(chǎng)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(dòng)方向會(huì)相近而出現(xiàn)偏振現(xiàn)象了。而電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的方向有可能順時(shí)針，也可能逆時(shí)針?lè)较颍ú煌\(yùn)動(dòng) 方向的電子之運(yùn)動(dòng)速度會(huì)存在些許差異），還有局部電子在原有的、平行于外磁 場(chǎng)方向平面內(nèi)圍繞原子核運(yùn)動(dòng)。位于不同軌道平面圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子的運(yùn)動(dòng) 速度會(huì)存在一定差異，也就導(dǎo)致圍繞原子核的運(yùn)動(dòng)頻率也出現(xiàn)些許差異。因此，原來(lái)一種軌道平面就會(huì)分裂為三種軌道平面：運(yùn)動(dòng)軌道平面不變的電 子、趨向/遠(yuǎn)離外加恒定磁場(chǎng)法向平面的順時(shí)針與逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)的電子。三種

8、不同 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子所對(duì)應(yīng)的原子核繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也會(huì)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(chǎng)的影響就會(huì)存在差異（不同軌道及軌道平面上的電子在外加恒定 磁場(chǎng)作用下改變軌道平面的程度不同，其圍繞原子核的運(yùn)動(dòng)頻率自然也會(huì)不同， 原子核圍繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的頻率也就不同，其產(chǎn)生的特征譜線就會(huì)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(lái)的一條譜線，在外加磁場(chǎng)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(dòng)（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(chǎng)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(dòng)的軌道平面將向左 旋轉(zhuǎn)；而電子圍繞原子核的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)的電子時(shí)，在同一 外加恒定磁場(chǎng)的作用下，電子的軌道平面會(huì)朝相反的方向偏轉(zhuǎn)。從而導(dǎo)致原來(lái)的 一種電子運(yùn)動(dòng)軌道平面變成三種不同的軌道平面。另一方向，外加磁場(chǎng)施加在電 子上的磁力不僅會(huì)改變其運(yùn)動(dòng)軌道平面，同時(shí)會(huì)改變其I韋I繞原子核的運(yùn)動(dòng)速度 （沿電子運(yùn)動(dòng)方向的磁力分量會(huì)使

10、電子的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生變化），從而導(dǎo)致電子圍 繞原子核的運(yùn)動(dòng)頻率發(fā)生一定的變化。也就會(huì)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(chǎng)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(huì) 存在一定的變化。因此，對(duì)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(chǎng)作用力的大小與方向的不同，軌道面的改 變程度也會(huì)不同，從而導(dǎo)致塞理效應(yīng)復(fù)雜化?？傊?，塞曼效應(yīng)是外加磁場(chǎng)改變了原子中電子運(yùn)動(dòng)軌道平面和圍繞原子核的 運(yùn)動(dòng)頻率，從而導(dǎo)致原子核圍繞質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)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(huì)發(fā)生頻率和偏振方向的變化。將電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的 磁場(chǎng)視為垂直于軌

11、道平面的磁偶極子，并在外加磁場(chǎng)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(dòng)一個(gè)周期期間內(nèi)電子在不同位置上實(shí)際受到的外加磁場(chǎng)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(chǎng)的方向與大小有關(guān), 還與電子自身的運(yùn)動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)。電子圍繞原子核的運(yùn)動(dòng)速度雖然變化不大，但運(yùn)動(dòng)方向的不斷變化也會(huì)導(dǎo)致 受到外加恒定磁場(chǎng)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(dòng)的軌道面和周期是相對(duì)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?chē)摹７衲敲?，就不?huì)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：