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塞曼效应实验-三级

实验简介

塞曼效应是学史上一个著名的实验。荷兰学家塞曼(Zeeman)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致旋光效应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，证实了原子具有磁距和空间取向量子化，

使人们对物质光谱、原子、分子有了解。

塞曼效应另一引人注目的发现是由谱线的变化来确定离子的荷质比的大

小、符号。根据洛仑兹(H.A.Lorentz)的电子论，测得光谱的波长，谱线的增宽

及外加磁场强度，即可称得离子的荷质比。由塞曼效应和洛仑兹的电子论计算

得到的这个结果极为重要，因为它在J、JJ、JThomson)宣布电子

发现之前几个月，J、J正是借助于塞曼效应由洛仑兹理论算得的荷质

比，与他自己所测得的阴极射线的荷质比进行比较具有相同的数量级，从而得

到确实的，证明电子的存在。

塞曼效应被誉为继X射线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学奖（以表彰他

本实验通过观察并拍摄Hg(546.1nm)谱线在磁场中的情况，研究塞曼

谱的特征，学习应用塞曼效应测量电子的荷质比和研究原子能级结构的方

法。

实验原理

1.谱线在磁场中的能级

谱线在磁场中的能级，是与外磁场和原子间的相互作用密切相关的。

在研究外磁场和原子的相互作用时，原子的磁矩是一个重要的量。原子中

的电子具有和轨道、自旋相应的轨道磁矩、自旋磁矩，原子核也有磁

矩，它们的表达式具有he的倍数的形式，其中，h为普朗克常数，e为电子电

4πm

荷，m为质量。由于质子的质量大于电子质量的1836倍，因此核磁矩比电子磁

矩要个数量级，所以计算原子总磁矩时核磁矩可暂不考虑。

对于多电子原子，角动量之间的相互作用有LS耦合模型和JJ耦合模型。

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的耦合作用弱，实际遇到

的大多数情况是属于LS耦合，本文仅讨论LS耦合的情况。





uJuJ,B

原子中的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩在磁感应强度为



P

LJ

的磁场中，受到力矩的作用而绕磁场方向旋进，即总角动量