塞曼效应实验研究论文

1902年诺贝尔物理学奖 ¾¾塞曼效应的发现和研究 1902年诺贝尔物理学奖授予荷兰莱顿大学的劳伦兹(Hendrik Antoon Lorentz，1853¾1928)和荷兰阿姆斯特丹大学的塞曼(Pieter Zeeman，1865¾1943)，以表彰他们在研究磁性对辐射现象的影响所作的特殊贡献。 磁性对辐射现象的影响也叫塞曼效应，是塞曼在1896年发现的。它是继法拉第效应和克尔效应之后又一项反映光的电磁特性的效应。塞曼效应更进一步涉及了光的辐射机制，因此被人们看成是继X射线之后物理学最重要的发现之一。 劳伦兹是荷兰物理学家，他的主要贡献是创立了古典电子论，这一理论能解释物质中一系列电磁现象，以及物质在电磁场中运动的一些效应。由於塞曼效应发现时及时地从劳伦兹理论得到解释，由此所确定的电子荷质比与.汤姆森用阴极射线所得数量级相同，相互间得到验证，因此1902年劳伦兹与塞曼共享诺贝尔物理学奖。 塞曼也是荷兰人，1885年进入莱顿大学后，与劳伦兹多年共事，并当过劳伦兹的助教。塞曼对劳伦兹的电磁理论很熟悉，实验技术也很精湛，1892年曾因仔细测量克尔效应而获金质奖章，并於1893年获博士学位。他在研究磁场对光谱的影响时，得益於劳伦兹的指导和劳伦兹理论，从而作出了有重大意义的发现。下面介绍塞曼效应的发现经过。 塞曼首先是从法拉第的工作得到启示的。1845年，法拉第将平面偏振光通过强磁场作用下的玻璃，发现光的偏振面发生旋转，后来进一步确定这是许多物质具有的普通性质。1876年，克尔(Kerr)继1875年发现玻璃片在强电场下对光有双折射的作用（即克尔电光效应）之后，又发现平面偏振光垂直射在电磁铁的磨光电极上时，反射得到的光变为椭圆偏振光（即克尔磁光效应）。这些效应对於光的电磁性质当然是极好的佐证。因此，电、磁和光之间的相互作用就成了19世纪末叶物理学家密切关注的对象。 1895年前后，塞曼暂停克尔磁光效应的研究，想试一试磁场对钠焰的光谱有没有影响。这个实验虽然没有成功，但是后来知道法拉第晚年曾亲自做过这个实验，他想法拉第这样伟大的科学家都重视这个实验，一定值得认真去做，於是就下决心用当时最好的设备再次进行实验，他当时产生了一个想法，究竟磁力作用於火焰时，火焰发出的光周期会不会改变。这样的事情果然发生了。塞曼用石棉条粘以食盐，放在电磁铁磁极间的氢氧焰中，用罗兰光栅（Rowland grating）（注：即凹面光栅、是当时最好的分光仪器）检验火焰光。当电磁铁电路接通时，D的两条谱线（注：即钠黄光谱线D1与D2）都看到增宽的现象。 谱线增宽也许会认为是磁场对火焰的某种已知作用，引起钠蒸气的密度和温度发生变化，塞曼就采用了一个方法，把钠放在一素瓷管中强烈加热，瓷管两端以平行玻璃板密封，其有效面积为1平方厘米。管子水平地置於磁场中，与磁力线垂直。弧光灯的光线穿之而过。吸收光谱显示出D双线。瓷管不断沿轴旋转，以避免温度变化。通电励磁，立即使谱线变宽。证明正是磁场使钠光的周期和频率发生了变化。 最初有人向塞曼提出，光的频率变化可能是由於原子与以太分子旋涡之间的加速和减速的作用力；后来，凯尔文勋爵向塞曼提出，或许可以用快速旋转系统和双摆结合在一起的例子，来解释频率变化。然而，这些解释都不够满意，於是塞曼转而从劳伦兹教授的电子理论寻求解释。这一理论认为：一切物体都有带电的小分子单元；一切电学过程都来自这些“离子”（注：即指电子，当时尚未发现电子）的平衡和运动，光波就是“离子”的振动引起的。在塞曼看来，“离子”在磁场中直接受到的作用力足以对这一现象作出解释。 塞曼将这个想法写信告诉劳伦兹教授，劳伦兹指点塞曼计算离子的运动。他还向塞曼指出，如果这个理论用得正确，就应该有下列结果：从增宽的谱线边缘发出的光，沿磁力线方向观察应是圆偏振光，再进而可导致求出离子所带电荷与其质量的比值e/m。塞曼用四分之一波片和检偏器，发现在加磁场后增宽的谱线边缘，从磁力线方向看去果然是圆偏振光。 相反地，如果从与磁力线成直角的方向观察，增宽了的钠谱线的边缘显示是平面偏振光，果然与劳伦兹理论相符。塞曼还根据谱线的增宽，估算了这一带电粒子的荷质比e/m，数量级为107CGSM/克，这时正好是.汤姆森宣布发现电子之前几个月。.汤姆森从阴极射线也测量了荷质比，和塞曼测量所得数量级相同，这一结果就成了电子存在的重要证据。 就这样，塞曼既对他所发现的光谱增宽现象作出了合理的解释，又证明了离子（注：即电子）的存在，对劳伦兹电子论提供了令人信服的实验验证。 1896年，塞曼进一步根据圆偏振光的旋光方向，判断产生辐射的“离子”所带电荷的正负，起先他曾误判为带正电，一年后改正为带负电。 根据劳伦兹的电磁理论，还可推断出如下结果：从垂直於磁场的方向观察，谱线应分裂为三条；从平行於磁场的方向观察，谱线应分裂为两条。塞曼把磁场加大到3万高斯左右，终於观察到了二重线和三重线。 塞曼能进一步证实劳伦兹的理论预见是非常幸运的，因为后来知道，只有单态(singlet)的谱系，才能得到劳伦兹理论预期的结果。 塞曼的结果与劳伦兹理论相符，不但是劳伦兹理论的一大成功，也使塞曼的工作很快得到公认。然而，由於塞曼和他的同代人对这一理论过於相信，也造成了一些困难。困难主要来自与理论不符的反常塞曼效应(anomalous Zeeman effect)。 塞曼自己在实验中也曾看到四重分裂和六重分裂，他没有正视这些与劳伦兹理论不符的现象，而是一心想将这些现象纳入劳伦兹理论的轨道。例如：他解释四重线，是三重线中间的一条“自蚀”为两条，而六重线是三重线的每一条都“自蚀”为两条 1897年，塞曼转到阿姆斯特丹大学任教，用那里的设备继续进行实验，主要的仪器还是凹面光栅。但因为整套设备装设在木质支座和地板上，无法避免振动的干扰，实验非常困难。据他自己说，拍三十张照片，往往只有一张可用，因此只好暂停试验。就在以后这段时间裏，其他许多同时进行这项工作的物理学家纷纷取得了重要成果。 这些人中间值得特别提到的有：1897年，美国的迈克耳逊用他自己发明的干涉仪观察到光谱线在磁场中分裂为二重线。后来迈克耳逊又发明了分辨本领更高的阶梯光栅(echelon grating)（1899年），他用阶梯光栅获得了更为精细的结果。英国人普列斯顿（T. Preston）紧接著对塞曼效应做了深入的研究工作。他在1898年发表的论文中详细叙述了各种磁致分裂图像，并且指出劳伦兹理论不能完全解释塞曼效应。随后发现了普列斯顿定律。根据这条定律可以判定谱线的归属。 德国人龙格(Runge)和帕申(Paschen)也对塞曼效应进行了大量的实验研究。1902年，他们列举了大量数据，叙述磁致分裂之间存在某种共同的规律。 1912年，帕申和巴克(E. E. A. Back)发现在极强磁场中，反常塞曼效应又表现为三重分裂，叫做帕申-巴克效应。这些现象都无法从理论上进行解释，此后二十多年一直是物理学界的一件疑案。正如不相容原理的发现者鲍利后来回忆的那样：“这不正常的分裂，一方面有漂亮而简单的规律，显得富有成果；另一方面又是那样难於理解……，使我感觉简直无法下手。” 1921年，德国杜宾根大学教授朗德(Landé）发表题为：《论反常塞曼效应》的论文，他引进一因子g代表原子能阶在磁场作用下的能量改变比值，这一因子只与能阶的量子数有关。 1925年，乌伦贝克(Uhlenbeck)与哥德施密特(Goldschmidt)“为解释塞曼效应和复杂谱线”提出了电子自旋的概念。1926年，海森堡和乔丹(Jordan)引进自旋S，从量子力学对反常塞曼效应作出了正确的计算。由此可见，塞曼效应的研究推动了量子理论的发展，在物理学发展史中占有重要地位。 劳伦兹1853年7月l8日出生於荷兰的阿纳姆，少年时就对物理学感兴趣并且熟练地掌握多门外语。l870年劳伦兹考入莱顿大学，学习数学、物理和天文。1875年获博士学位。1877年，莱顿大学聘请他为理论物理学教授，当时劳伦兹年23岁。他在莱顿大学任教长达35年。1911－1927年间劳伦兹多次担任索尔维会议主席。在国际物理学界有崇高的名望。 劳伦兹在物理学上最重要的贡献是发展了古典电子论。1878年，他发表了光与物质相互作用的论文，把以太与普通的物质区别开来，认为以太是静止的，无所不在，而普通物质的分子则都含有带电的谐振子；在这个基础上，他导出了分子折射率的公式(即劳伦兹-洛伦茨公式)。l892年，他开始发表电子论的文章，他认为一切物质的分子都含有电子，阴极射线的粒子就是电子，电子是很小的有质量的刚性球体，电子对於以太是完全透明的，以太与物质的相互作用归结为以太与物质中的电子的相互作用。在这个基础上，1895年他提出了著名的劳伦兹力公式。另外，l892年他研究过地球穿过静止以太所产生的效应，为了叙述迈克耳逊-莫雷实验的结果，他独立地提出了长度收缩的假说，认为相对於以太运动的物体，其运动方向上的长度缩短了。1895年，他发表了长度收缩的准确公式，即在运动方向上，长度收缩因子为 。l899年，劳伦兹讨论了惯性系之间坐标和时间的变换问题，并得出电子质量与速度有关的结论。1904年，他发表了著名的劳伦兹变换公式和质量与速度的关系式，并指出光速是物体相对於以太运动速度的极限。 此外，劳伦兹在古典物理学的许多领域裏都有很深的造诣，在热力学、物质分子运动论和重力理论等方面，都有过贡献。劳伦兹受到爱因斯坦、薛丁格和其他很多物理学家的尊敬，爱因斯坦就曾说过，他一生中受劳伦兹的影响最大。