塞ふさが曼效应

從したがえ太陽たいよう黑子ぼくろ譜ふ線せん觀測かんそく到いた的てき塞ふさが曼效应。

塞ふさが曼效应（英語えいご：Zeeman effect），在ざい原子げんし物理ぶつり学がく和わ化学かがく中なか的てき光ひかり谱分析ぶんせき裡うら是ぜ指ゆび原子げんし的てき光ひかり谱线在外ざいがい磁场中出なかいで现分裂ぶんれつ的てき现象，是ぜ1896年ねん由ゆかり荷に兰物理ぶつり学がく家か彼かれ得とく·塞ふさが曼^{譯註やくちゅう}发现的てき，随ずい后きさき荷に兰物理学りがく家か亨とおる德とく里さと克かつ·洛らく伦兹在ざい理り论上解かい释了谱线分裂ぶんれつ成なり3条じょう的てき原因げんいん。这种现象称しょう为“塞ふさが曼效应”。进一いち步ほ的てき研究けんきゅう发现，很多原子げんし的てき光ひかり谱在磁场中ちゅう的てき分裂ぶんれつ情じょう况非常ひじょう复杂，称しょう为反はん常つね塞ふさが曼效应（anomalous Zeeman effect）^{譯註やくちゅう}。完かん整せい解かい释塞曼效应需要用ようよう到いた量子力学りょうしりきがく，电子的てき轨道磁矩和わ自じ旋磁矩耦合成ごうせい总磁矩のり，并且空そら间取向むかい是ただし量子りょうし化か的てき，磁场作用さよう下か的てき附加ふか能のう量りょう不同ふどう，引起能のう级分裂ぶんれつ。在外ざいがい磁场中ちゅう，总自旋为零れい的てき原子げんし表ひょう现出正常せいじょう塞ふさが曼效应，总自旋不为零的てき原子げんし表ひょう现出反はん常つね塞ふさが曼效应。塞ふさが曼效应是继1845年ねん法ほう拉ひしげ第だい效こう应和わ1875年ねん克かつ尔效应之これ后きさき发现的てき第だい三个磁场对光有影响的实例。塞ふさが曼效应证实了原子げんし磁矩的てき空そら间量子りょうし化か，为研究けんきゅう原子げんし结构提供ていきょう了りょう重要じゅうよう途と径みち，被ひ认为是ぜ19世せい纪末20世せい纪初物理ぶつり学がく最さい重要じゅうよう的てき发现之の一いち。利用りよう塞ふさが曼效应可以测量りょう电子的てき荷に质比。在ざい天体てんたい物理ぶつり中なか，塞ふさが曼效应可以用来らい测量天体てんたい的てき磁场。塞ふさが曼效應おう也在核かく磁共振きょうしん頻しき譜ふ學がく、電子でんし自じ旋共振きょうしん頻しき譜ふ學がく、磁振造影ぞうえい以及穆きよし斯堡尔谱学がく方面ほうめん有ゆう重要じゅうよう的てき應用おうよう。

塞ふさが曼效应的历史

塞ふさが曼效应的发现者しゃ——荷に兰物理学りがく家か塞ふさが曼。

1896年ねん，荷に兰物理学りがく家か塞ふさが曼使用しよう半径はんけい10英えい尺じゃく的てき凹形罗兰光こう栅观察磁场中ちゅう的てき钠火ひ焰的光こう谱，他た发现钠的D谱线似に乎出现了加か宽的现象。这种加か宽现象ぞう实际是ぜ谱线发生了りょう分裂ぶんれつ。随ずい后きさき不ふ久ひさ，塞ふさが曼的老ろう师、荷に兰物理学りがく家か洛らく伦兹应用经典电磁理り论对这种现象进行了解りょうかい释。他た认为，由ゆかり于电子存在そんざい轨道磁矩，并且磁矩方向ほうこう在ざい空そら间的取と向こう是ぜ量子りょうし化か的てき，因いん此在磁场作用さよう下か能のう级发生せい分裂ぶんれつ，谱线分裂ぶんれつ成なり间隔相等そうとう的てき3条じょう谱线。塞ふさが曼和洛らく伦兹因いん为这一发现共同获得了1902年ねん的てき诺贝尔物理学りがく奖。

1897年ねん12月，普ひろし雷かみなり斯顿（T.Preston）报告称たたえ，在ざい很多实验中ちゅう观察到光こう谱线有ゆう时并非ひ分裂ぶんれつ成なり3条じょう，间隔也不尽ふじん相しょう同どう，人にん们把这种现象叫さけべ做为反はん常つね塞ふさが曼效应，将はた塞ふさが曼原来らい发现的てき现象叫さけべ做正常せいじょう塞ふさが曼效应。反はん常つね塞ふさが曼效应的机つくえ制せい在ざい其后二に十余年时间里一直没能得到很好的解释，困こま擾了一いち大だい批物理学りがく家か。1925年ねん，两名荷に兰学生せい乔治·乌伦贝克（G.E.Uhlenbeck,1900-1974）和わ撒姆爾なんじ·高だか斯密特とく（S.A.Goudsmit,1902-1978）提出ていしゅつ了りょう电子自じ旋假かり设，很好地ち解かい释了反はん常つね塞ふさが曼效应。

应用正常せいじょう塞ふさが曼效应测量りょう谱线分裂ぶんれつ的てき频率间隔可か以测出で电子的てき荷に质比。由よし此计算さん得え到いた的てき荷に质比数すう值与约瑟夫おっと·汤姆孙在ざい阴极射しゃ线偏へん转实验中测得的てき电子荷に质比数量すうりょう级是相しょう同どう的てき，二者互相印证，进一步证实了电子的存在。

塞ふさが曼效应也可か以用来らい测量天体てんたい的てき磁场。1908年ねん美国びくに天文学てんもんがく家か喬たかし治ち·海うみ爾なんじ等とう人ひと在ざい威い尔逊山やま天文台てんもんだい利用りよう塞ふさが曼效应，首しゅ次じ测量到いた了りょう太ふとし阳黑子ぼくろ的てき磁场。

正常せいじょう塞ふさが曼效应的理り论解释

不ふ加か外がい磁场时，原子げんし在ざい两个能のう级E₁和わE₂（E₁<E₂）之の间跃迁的能のう量りょう差さ为

$\Delta E=h\nu =E_{2}-E_{1}\,$

原子核げんしかく的てき磁矩比ひ电子磁矩小しょう大だい约三さん个数量すうりょう级。如果只ただ考こう虑电子こ的てき磁矩对原子げんし总磁矩のり的てき贡献，那な么磁场引起おこり的てき附加ふか能のう量りょう为

$\Delta U=-\mathbf {\mu } \cdot \mathbf {B} =-\mu _{z}B=m_{J}g_{J}\mu _{B}B$

这里将しょう磁感应强度きょうどB的てき方向ほうこう取と为z轴方向ほうこう，μみゅー_Z是ぜ磁矩在ざいz方向ほうこう上じょう的てき投影とうえい。m_J是ぜ电子总角すみ动量J在ざいz方向ほうこう投影とうえい的てき量子りょうし数すう，可か以取-J,-J+1,…J-1,J共きょう2J+1个值，g_J是ぜ电子总角动量的てき朗ろう德とく因子いんし，μみゅー_B是これ玻尔磁子。

这样，原子げんし的てき每ごと一个能级分裂成若干分立的能级，两个能のう级之间跃迁的能のう量りょう差さ为：

$\Delta E'=h\nu '=E'_{2}-E'_{1}=E_{2}-E_{1}+(m_{2J}g_{2J}-m_{1J}g_{1J})\mu _{B}B$

对于自じ旋为零れい的てき体系たいけい有ゆう$g_{1J}=g_{2J}=1$。由よし于跃迁的选择定てい则$\Delta m_{J}=m_{2J}-m_{1J}=0,\pm 1$，频率νにゅー只ただ有ゆう三さん个数值：

$h\nu '=h\nu +\left\{{\begin{matrix}\mu _{B}B\\0\\-\mu _{B}B\end{matrix}}\right\}$

因いん此一いち条じょう频率为νにゅー的てき谱线在外ざいがい磁场中ちゅう分裂ぶんれつ成なり三さん条じょう谱线，相互そうご之の间频率间隔相等そうとう，为${\frac {\mu _{B}B}{h}}$。洛らく伦兹应用经典电磁理り论解释了正常せいじょう塞ふさが曼效应，计算出さんしゅつ了りょう这个频率间隔。通常つうじょう把わ这个能のう量りょう差さ的てき波数はすう间隔$\Delta ({\frac {1}{\lambda }})={\frac {\mu _{B}B}{hc}}={\frac {e\hbar B}{2m_{e}hc}}={\frac {eB}{4\pi m_{e}c}}\approx 46.7Bm^{-1}T^{-1}$称しょう为洛らく伦兹单位，符号ふごう${\hat {L}}$。

镉的てき643.847nm（¹D₂态向¹P₁态的跃迁）谱线在ざい磁场不ふ太ふとし强きょう时就是ぜ表ひょう现出正常せいじょう塞ふさが曼效应。这两个态的てきg都と等とう于1，在外ざいがい磁场中ちゅう，¹D₂分裂ぶんれつ成なり5个子能のう级，¹P₁分裂ぶんれつ成なり3个子能のう级，由ゆかり于选择定则，这些子こ能のう级之间有9种可能かのう的てき跃迁，有ゆう3种可能かのう的てき能のう量りょう差さ值，所以ゆえん谱线分裂ぶんれつ成なり3条じょう。

塞ふさが曼效应的偏へん振ふ特性とくせい

对于Δでるたm=+1，原子げんし在ざい磁场方向ほうこう的てき角すみ动量减少了りょう一いち个$\hbar$，由ゆかり于原子はらこ和かず光子こうし的まと角かく动量之の和かず守恒もりつね，光子こうし具有ぐゆう与あずか磁场方向ほうこう相しょう同どう的まと角かく动量$\hbar$，方向ほうこう与あずか电矢量りょう旋转方向ほうこう构成右手みぎて螺旋らせん，称しょう为σしぐま⁺偏へん振ふ，是ぜ左ひだり旋偏振ふ光ひかり。反はん之これ，对于Δでるたm=-1，原子げんし在ざい磁场方向ほうこう的てき角かく动量增加ぞうか了りょう一いち个$\hbar$，光子こうし具有ぐゆう与あずか磁场方向ほうこう相反あいはん的てき角かく动量$\hbar$，方向ほうこう与あずか电矢量りょう旋转方向ほうこう构成左手ひだりて螺旋らせん，称しょう为σしぐま^-偏へん振ふ，是ぜ右みぎ旋偏振ふ光ひかり。对于Δでるたm=0，原子げんし在ざい磁场方向ほうこう的てき角かく动量不ふ变，称しょう为πぱい偏へん振ふ。如果沿磁场方向ほうこう观察，只ただ能のう观察到σしぐま⁺和わσしぐま^-谱线的てき左ひだり旋偏振ふ光ひかり和わ右みぎ旋偏振ふ光ひかり，观察不ふ到いたπぱい偏へん振ふ的てき谱线。如果在ざい垂直すいちょく于磁场方向ほうこう观察，能のう够观察到原げん谱线分裂ぶんれつ成なり3条じょう：中ちゅう间一いち条じょう是ぜπぱい谱线，是ぜ线偏振ふ光ひかり，偏へん振方ふりかた向こう与あずか磁场方向ほうこう平行へいこう，σしぐま⁺和わσしぐま^-线分居きょ两侧，同どう样是线偏振ふ光ひかり，偏へん振方ふりかた向こう与あずか磁场方向ほうこう垂直すいちょく。

反はん常つね塞ふさが曼效应

钠D线是因いん自じ旋-軌道きどう作用さよう而產生せい的てき雙そう重じゅう線せん，波長はちょう分別ふんべつ為ため589.6nm、589.0nm。由よし於施加か弱じゃく外がい磁場じば而產生せい的てき反はん常つね塞ふさが曼效应會かい使し這雙重じゅう線せん出現しゅつげん更さら多た分裂ぶんれつ：
*589.6nm的てき谱线是ぜ²P_1/2态向²S_1/2态跃迁产生せい的てき谱线。
*589.0nm的てき谱线是ぜ²P_3/2态向²S_1/2态跃迁产生せい的てき谱线。

由よし於弱外がい磁场作用さよう，²S_1/2态能级會分裂ぶんれつ成なり两个子こ能のう级，²P_1/2态也會かい分裂ぶんれつ成なり两个子こ能のう级，但ただし由よし於两个态的てき朗ろう德とくg因子いんし不同ふどう，因いん此會形成けいせい4条じょう不同ふどう谱线。由よし於外磁场作用さよう，²P_3/2态能级會分裂ぶんれつ成なり四个子能级，但ただし是ぜ從したがえ²P_3/2的てき+3/2態たい不能ふのう躍おど遷至²S_1/2的てき-1/2態たい，從したがえ²P_3/2的てき-3/2態たい不能ふのう躍おど遷至²S_1/2的てき+1/2態たい，因いん此總共ども會かい形成けいせい6条じょう不同ふどう谱线。

只ただ有ゆう自じ旋为单态，即そく总自旋为0的てき谱线才ざい表ひょう现出正常せいじょう塞ふさが曼效应。非ひ单态的てき谱线在ざい磁场中表なかおもて现出反はん常つね塞ふさが曼效应，谱线分裂ぶんれつ条じょう数すう不ふ一定いってい是ぜ3条じょう，间隔也不一定是一个洛伦兹单位。

例れい如钠原子げんし的てき589.6nm和わ589.0nm的てき谱线，在外ざいがい磁场中ちゅう的てき分裂ぶんれつ就是反はん常つね塞ふさが曼效应。589.6nm的てき谱线是ぜ²P_1/2态向²S_1/2态跃迁产生せい的てき谱线。当とう外そと磁场不ふ太ふとし强きょう时，在外ざいがい磁场作用さよう下か，²S_1/2态能级分裂ぶんれつ成なり两个子こ能のう级，²P_1/2态也分裂ぶんれつ成なり两个子こ能のう级，但ただし由よし于两个态的てき朗ろう德とく因子いんし不同ふどう，谱线分裂ぶんれつ成なり4条じょう，中ちゅう间两条じょう是ぜπぱい线，外そと侧两条じょう分ぶん别是σしぐま⁺线和σしぐま^-线。589.0nm的てき谱线是ぜ²P_3/2态向²S_1/2态跃迁产生せい的てき，²P_3/2态能级在外がい磁场不ふ太ふとし强きょう时分裂ぶんれつ成なり四个子能级，因いん此589.0nm的てき谱线分裂ぶんれつ成なり6条じょう。中ちゅう间两条じょうπぱい线，外そと侧两边各两条σしぐま线。

逆ぎゃく塞ふさが曼效应

实验中ちゅう不ふ仅可以观察到光こう谱发射线的てき塞ふさが曼效应，吸收きゅうしゅう线也会发生塞ふさが曼效应，这被称しょう为逆塞ふさが曼效应。

塞ふさが曼效应的破やぶ坏

只ただ有ゆう当とう外そと磁场的てき强度きょうど比ひ较弱，不足ふそく以破坏自じ旋-轨道耦合时才会かい出で现反常つね塞ふさが曼效应，这时自じ旋角动量和わ轨道角かく动量分ぶん别围绕总角かく动量作さく快速かいそく进动，总角动量绕外磁场作さく慢速进动。当とう磁场很强时，自じ旋角动量和わ轨道角かく动量不ふ再さい合成ごうせい总角动量，而是分ぶん别围绕外磁场进动。这时反はん常つね塞ふさが曼效应被帕邢-巴ともえ克かつ效こう应所ところ取と代だい，其效果こうか是ぜ恢复到正常せいじょう塞ふさが曼效应，即そく谱线分裂ぶんれつ成なり3条じょう，相互そうご之の间间隔一个洛伦兹单位。这里磁场的てき“强つよし”与あずか“弱じゃく”是ぜ相しょう对的，例れい如3T的てき磁场对于钠589.6nm和わ589.0nm的てき双そう重じゅう线是弱じゃく磁场，不ふ会かい引起帕邢-巴ともえ克かつ效こう应，但ただし对于锂的てき670.785nm和わ670.800nm的てき双そう重じゅう线是强きょう磁场，足そく够观察到帕邢-巴ともえ克かつ效こう应。

参まいり閱

• 明あかり顯あらわ對稱たいしょう性せい破やぶ缺かけ

延伸えんしん阅读

• 塞ふさが曼效应（英文えいぶん）
• P.Zeeman, The Effect of Magnetisation on the Nature of Light Emitted by a Substance, Nature, 55(1897),347.

譯註やくちゅう

• 塞ふさが曼在ざい一些文獻中也譯作季き曼、齊ひとし曼。
• 反はん常つね塞ふさが曼效應おう也譯作さく異常いじょう塞ふさが曼效應おう，复杂塞ふさが曼效应。