能否用经典电磁理论解释正常塞曼效应

能否用经典电磁理论解释正常塞曼效应
能否用经典电磁理论解释正常塞曼效应

能否用经典电磁理论解释正常塞曼效应
塞曼效应是指原子光谱在外加磁场下发生分裂.电子的自旋运动会产生环电流,进而会产生磁场；在外磁场作用下,同一轨道中自旋不同的电子能量不同导致了原子光谱的分裂.我们可以通过考虑和不考虑外加磁场时的薛定谔方程表达式来解释塞曼效应：不考虑外加磁场时薛定谔方程的表达式是：HΨ=EΨ,在这个表达式中能量只与n、l和m有关,而与磁量子数无关,也就是说与电子的自旋无关,所以具有同样的n、l和m的电子[也就是同一轨道中自旋反平行的两个电子]具有相同的能量；测试原子光谱时只有一条谱线.考虑外加磁场时薛定谔方程的表达式：(H+Hb)Ψ=(E+Eb)Ψ,此时Hb表示的是外加磁场对体系哈密顿量的影响,(H+Hb)是有外加磁场时的哈密顿量；Eb则有外场时Hb所对应的能量值,(E+Eb)是有外磁场时体系的能量；由于在外加磁场下自旋不同的电子有不同的能量,Eb值不同,所以在外磁场存在时原子光谱发生了分裂.塞曼效应 塞曼效应是原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象.塞曼效应是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.塞曼效应的历史 -------------------------------------------------------------------------------- 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,困绕了一大批物理学家.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.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.正常塞曼效应的理论解释 -------------------------------------------------------------------------------- 不加外磁场时,原子在两个能级E1和E2（E12）之间跃迁的能量差为 :\Delta E = h\nu = E_ - E_ 原子核的磁矩比电子磁矩小大约三个数量级.如果只考虑电子的磁矩对原子总磁矩的贡献,那么磁场引起的附加能量为 :\Delta U = -\mathbf\cdot\mathbf = -\mu_B = m_g_\mu_B