塞曼效应

塞曼效应（/ˈzeɪmən/；荷兰语发音：[ˈzeːmɑn]）是在存在静磁场的情况下将谱线分裂成几个分量的效果。 它以荷兰物理学家彼得·塞曼 (Pieter Zeeman) 的名字命名，他于 1896 年发现了它，并因此获得诺贝尔奖。 它类似于斯塔克效应，在存在电场的情况下谱线分裂成几个分量。 同样类似于斯塔克效应，不同成分之间的跃迁通常具有不同的强度，有些是完全禁止的（在偶极子近似中），这取决于选择规则。

由于塞曼子能级之间的距离是磁场强度的函数，因此这种效应可用于测量磁场强度，例如 太阳和其他恒星或实验室等离子体中的物质。塞曼效应在核磁共振波谱、电子自旋共振波谱、磁共振成像 (MRI) 和穆斯堡尔波谱等应用中非常重要。 它还可用于提高原子吸收光谱的准确性。关于鸟类磁感的理论假设视网膜中的蛋白质因塞曼效应而发生变化。

当谱线为吸收线时，这种效应称为逆塞曼效应。

从历史上看，人们区分了正常和异常的塞曼效应（由爱尔兰都柏林的托马斯·普雷斯顿发现）。 异常效应出现在电子净自旋不为零的跃迁中。 它之所以被称为反常，是因为电子自旋尚未被发现，所以在塞曼观察到这种效应时，还没有很好的解释。 Wolfgang Pauli 回忆说，当一位同事问他为什么看起来不开心时，他回答说，当他在思考异常的塞曼效应时，怎么可能看起来很开心？。

在更高的磁场强度下，效果不再是线性的。 在更高的场强下，与原子内部场的强度相当，电子耦合受到干扰，谱线重新排列。 这称为 Paschen–Back 效应。

在现代科学文献中，这些术语很少使用，倾向于只使用塞曼效应。

原子在磁场中的总哈密顿量为

H = H 0 + V M , {\displaystyle H=H_{0}+V_{\rm {M}},\ }

其中 H 0 {\displaystyle H_{0}} 是原子的未扰动哈密顿量，而 V M {\displaystyle V_{\rm {M}}} 是磁场引起的扰动：

V M = − μ → ⋅ B → , {\displaystyle V_{\rm {M}}=-{\vec {\mu }}\cdot {\vec {B}},}

其中 μ → {\displaystyle {\vec {\mu }}} 是原子的磁矩。 磁矩由电子部分和核部分组成； 然而，后者要小很多数量级，这里将被忽略。 所以，

μ → ≈ − μ B g J → ℏ , {\displaystyle {\vec {\mu }}\approx -{\frac {\mu _{\rm {B}}g{\ vec {J}}}{\hbar }},}

其中 μ B {\displaystyle \mu _{\rm {B}}} 是玻尔磁子，J → {\displaystyle {\vec {J}}} 是总电子角动量，g { \displaystyle g} 是 Landé g 因子。更准确的方法是考虑电子磁矩的算子是轨道角动量 L → {\displaystyle { vec {L}}} 和自旋角动量 S → {\displaystyle {\vec {S}}}

其中 g l = 1 {\displaystyle g_{l}=1} 和 g s ≈ 2.0023192 {\displaystyle g_{s}\approx 2.0023192}（后者称为反常旋磁比；该值与 2 的偏差为 由于量子电动力学的影响）。 在 LS 耦合的情况下，可以对原子中的所有电子求和

其中 L → {\displaystyle {\vec {L}}} 和 S → {\displaystyle {\vec {S}}} 是原子的总轨道动量和自旋，平均是在一个状态下完成的 具有给定的总角动量值。

如果相互作用项 V M {\displaystyle V_{M}} 很小（小于精细结构），则可以视为微扰； 这才是塞曼有效应有的。 在 Paschen–Back 效应中，如下所述，V M {\displaystyle V_{M}} 显着超过 LS 耦合（但与 H 0 {\displaystyle H_{0}} 相比仍然很小）。 在超强磁场中，磁场相互作用可能超过 H 0 {\displaystyle H_{0}} ，在这种情况下，原子不再以其正常意义存在。