塞曼效应 塞曼效应是指原子光谱线在外部静磁场作用下发生分裂或偏振的现象。我们将从光的基本性质开始，逐步构建对此效应的理解。 第一步：原子的发光机制与磁矩 原子中的电子具有轨道角动量和自旋角动量，这些角动量会产生相应的轨道磁矩和自旋磁矩。当电子从高能级跃迁到低能级时，会发射出一个光子，其能量等于两能级之差，表现为特定频率（或波长）的光谱线。在没有外磁场时，这些能级是“简并”的，即某些不同空间取向的角动量状态具有相同的能量。 第二步：磁场对原子磁矩的作用——能级分裂 当施加一个外部静磁场（假设为Z方向）时，电子磁矩与磁场会发生相互作用，产生附加的能量。这个附加能量ΔE的大小与磁矩在磁场方向（Z方向）的投影（即磁量子数m）成正比：ΔE = m * μ_ B * B * g。其中，μ_ B是玻尔磁子（基本磁矩单位），B是磁场强度，g是兰德因子（与具体的角动量耦合方式有关）。因此，原来能量相同的、但磁量子数m不同的那些子能级，在磁场中会获得不同的附加能量，从而导致原来的一个能级分裂成一系列能量有微小差异的子能级。 第三步：光谱线的分裂与偏振——跃迁选择定则 电子在分裂后的能级间跃迁时，发射的光子能量会因初态和末态能级分裂的不同组合而发生变化。这导致原来的一条光谱线分裂成多条。并非所有跃迁都是允许的，它遵循“跃迁选择定则”：磁量子数的变化Δm只能取0或±1。这产生了三种偏振模式： π成分（Δm = 0） ：当Δm = 0时，光子偏振方向与磁场 平行 （沿磁场方向观察是线偏振光，垂直于磁场方向观察不可见）。 σ±成分（Δm = ±1） ：当Δm = +1或-1时，光子具有 左旋或右旋 圆偏振特性（沿磁场方向观察是圆偏振光，垂直于磁场方向观察是线偏振光，其偏振方向与磁场方向垂直）。 第四步：正常塞曼效应与反常塞曼效应 历史上，根据观察到的分裂模式不同，分为两种： 正常塞曼效应 ：观测到光谱线 分裂为三条 ，中间的π线和两条对称的σ线。这发生在 单重态 （总自旋S=0）之间的跃迁，如锌、镉等原子的某些谱线。此时兰德因子g=1，能级裂距相等，分裂模式经典理论即可解释。 反常塞曼效应 ：观测到光谱线 分裂为两条、四条或更多条 ，且裂距不均匀。这更普遍，发生在 总自旋S ≠ 0 的原子态（多重态）之间的跃迁。由于自旋磁矩的存在，兰德因子g ≠ 1，不同能级的裂距不同，导致了更复杂的分裂模式。这需要引入电子自旋和量子力学的角动量耦合理论（LS耦合）才能圆满解释。 第五步：帕邢-巴克效应与当代意义 当磁场非常强时（B远大于原子内部耦合产生的磁场），自旋和轨道角动量会分别直接与强磁场耦合，而不是先相互耦合。此时，能级分裂又趋于简单，光谱线会简并成类似正常塞曼效应的三线结构，这称为 帕邢-巴克效应 。塞曼效应是现代物理学的重要工具，通过分析光谱线的分裂数目、间距和偏振，可以： 测定原子的总角动量量子数和兰德因子g。 确定原子能级的结构。 在天体物理学中，用于测量遥远恒星和星云的磁场强度（称为 塞曼测场 ）。