塞曼效应是指 原子 在外 磁场 中发光谱线发生分裂且偏振的现象。历史上首先观测到并给予理论解释的是 谱线 一分为三的现象，后来又发现了较三分裂现象更为复杂的难以解释的情况，因此称前者为正常或简单塞曼效应，后者为反常或复杂塞曼效应。
原理简介
荷兰 物理学家塞曼在1896年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于 发光体 使光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。
塞曼效应是 迈克尔·法拉第 磁旋光效应之后发现的又一个磁光效应。这个现象的发现是对光的电磁理论的有力支持，证实了 原子 具有 磁矩 和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解，特别是由于及时得到洛仑兹的理论解释，更受到人们的重视，被誉为继X射线之后物理学最重要的发现之一。
1902年，塞曼与洛仑兹因这一发现共同获得了 诺贝尔物理学奖 （以表彰他们研究 磁场 对光的效应所作的特殊贡献）。
详细内容
塞曼效应，英文：Zeeman effect，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 。
理论发展
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，困扰了一大批物理学家。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。
1912年， 弗里德里希·帕邢 和拜克（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 帕邢－ 拜克效应。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 沃尔夫冈·泡利 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于理解，使我感觉简直无从下手。"
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 能级 在 磁场 作用下的能量改变比值，这一因子只与能级的 量子数 有关。
1925年， 乌伦贝克 与哥德斯密特"为了解释塞曼效应和复杂 谱线 "提出了电子自旋的概念。1926年， 海森伯格 和 约旦 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。
偏振特性
对于 ， 原子 在磁场方向的 角动量 减少了一个 ，由于原子和 光子 的角动量之和守恒，光子具有与磁场方向相同的角动量 ，方向和电 矢量 旋转方向构成右手 尾旋 ，称之为 偏振，为右旋偏振光。反之，对于 ，原子在 磁场 方向的角动量增加一个 ，光子具有与磁场方向相反角动量 ，方向和电矢量旋转方向构成左手螺旋，称之为 偏振，为左旋偏振光。对于 ，原子在磁场方向角动量不变，称之为π偏振。如果沿磁场方向观察，只能观察到 和 谱线 左旋偏振光和右旋偏振光，观察不到π偏振谱线。如果在垂直于磁场方向观察，能够观察到原谱线分裂成三条：中间一条是π谱线，为线偏振光，偏振方向和磁场方向平行， 与 线分居两侧，同样是线偏振光，偏振方向和磁场方向垂直。
原理
塞曼效应证实了 原子 具有 磁矩 和空间取向量子化的现象，至今塞曼效应仍是研究 能级 结构的重要方法之一。正常塞曼效应可用经典理论给予很好的解释；而反常塞曼效应却不能用经典理论解释，只有用量子理论才能得到满意的解释。
塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。 荷兰 物理学家塞曼在1896年发现：把产生光谱的光源置于足够强的 磁场 中，磁场作用于 发光体 使光谱由一条 谱线 分裂成几条偏振化谱线的现象称为塞曼效应。若一条谱线分裂成三条，裂距按 波数 计算正好等于一个洛仑兹单位（ ）的现象称为正常塞曼效应；而分裂成更多条且裂距大于或小于一个洛仑兹单位的现象称为反常塞曼效应。
塞曼效应的产生是 原子 磁矩 和外加磁场作用的结果。根据 原子理论 ，原子中的 电子 既作轨道运动又作 自旋 运动。原子的总轨道磁矩μ与总轨道 角动量 p的关系为：
原子的总 自旋磁矩 与总自旋角动量 的关系为：
其中：m为电子质量，L为轨道角动量 量子数 ，S为自旋量子数，为 普朗克常数 除以2π，即 （ 写法是在小写的h上半部分打一横杠）。
原子 的轨道 角动量 和 自旋 角动量合成为原子的总角动量p，原子的轨道 磁矩 和 自旋磁矩 合成为原子的总磁矩μ（见图1）。由于 的值不同于 值，总磁矩 矢量 μ不在总角动量p的延长线上，而是绕p 进动 。由于总磁矩在垂直于p方向的分量μ与 磁场 的作用对时间的平均效果为零，所以只有平行于p的分量μ是有效的。μ称为原子的有效磁矩，大小由下式确定：
其中，J为总 角动量 量子数 ，g为朗德因子。对于LS 耦合 ，存在
当 原子 处在外磁场中的时候，在 力矩 的作用下，原子总角动量p和 磁矩 μ绕磁矩方向 进动 （见图2）。原子在 磁场 中的附加能量ΔE为：
其中，β为 与B的夹角。 角动量 在磁场中取向是量子化的，即：
其中，M为 磁量子数 。因此，
可见，附加能量不仅与外磁场B有关系，还与朗德因子g有关。磁量子数M共有 个值，因此 原子 在外 磁场 中，原来的一个 能级 将分裂成 个子能级。
未加磁场时，能级E和E之间的跃迁产生的光谱线频率ν为：
(1)外加磁场时，分裂后的 谱线 频率ν’为：
(2)分裂后的谱线与原来谱线的频率差Δν’为：
(3)定义 为洛仑兹单位。
用 波数 间距 表示为：
(4) 能级 之间的跃迁必须满足选择 定则 ， 磁量子数 M的选择定则为 而且当 时， 的跃迁除外。
当 时，产生π线，沿垂直于 磁场 方向观察时，π线为光振动方向平行于磁场的线偏振光，沿平行于磁场方向观察时，光强度为零，观察不到（见图3）。
当 时，产生σ线，迎着磁场方向观察时，σ线为圆偏振光， 时为左旋圆偏振光， 时为右旋圆偏振光。沿垂直于磁场方向观察时，σ线为线偏振光，其电 矢量 与磁场垂直（见图3）。
只有 自旋 是单态，即总自旋为0 谱线 才表现出正常塞曼效应。非单态谱线在磁场中表现出反常塞曼效应，谱线分裂条数不一定是三条，间隔也不一定为一个洛仑兹单位。
例如钠 原子 的589.6nm和589.0nm的谱线，在外 磁场 中的分裂就是反常塞曼效应。589.6nm的谱线为 P态向 S态跃迁产生的谱线。当外磁场不太强的时候，在外磁场作用之下， S态 能级 分裂成2个子能级， P态也分裂成2个子能级，但由于两个态朗德因子不同，谱线分裂成4条，中间两条为π线，外侧两条分别是 线与 线。589.0nm的 谱线 为 P态向 S态跃迁产生的， P态能级在外磁场不太强时分裂成4个子能级，因此589.6nm的谱线分裂成六条。中间两条π线，外侧两边各2条σ线。
理论解释
不加外 磁场 时， 原子 在两个能级E和E 之间跃迁的能量差为
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
这里将磁感应强度B的方向取为z轴方向，μ是磁矩在z方向上的投影。m是电子总 角动量 J在z方向投影的 量子数 ，可以取 共 个值，g是电子总角动量的朗德因子，μ是 奥格·玻尔 磁子。
这样， 原子 的每一个 能级 分裂成若干分立的能级，两个能级之间跃迁的能量差为
对于 自旋 为零的体系有 。由于跃迁的选择 定则 频率ν只有三个数值：
因此一条频率为ν的 谱线 在外 磁场 中分裂成三条谱线，相互之间频率间隔 相等 ，为 。洛仑兹应用经典电磁理论解释了正常塞曼效应，计算出了这个频率间隔。通常把这个能量差的 波数 间隔 称为洛仑兹单位，符号 。
镉的643.847nm（ D态向 P态的跃迁） 谱线 在 磁场 不太强时就是表现出正常塞曼效应。这两个态的g都等于1，在外磁场中， D分裂成5个子 能级 ， P分裂成3个子能级，由于选择 定则 ，这些子能级之间有9种可能的跃迁，有3种可能的能量差值，所以谱线分裂成3条。
反常效应
只有 自旋 为单态，即总自旋为0的谱线才表现出正常塞曼效应。非单态的谱线在磁场中表现出反常塞曼效应，谱线分裂条数不一定是3条，间隔也不一定是一个洛仑兹单位。
例如钠 原子 的589.6nm和589.0nm的 谱线 ，在外 磁场 中的分裂就是反常塞曼效应。589.6nm的谱线是 P态向 S态跃迁产生的谱线。当外磁场不太强时，在外磁场作用下， S态 能级 分裂成两个子能级， P态也分裂成两个子能级，但由于两个态的朗德因子不同，
钠D线在磁场中的反常塞曼效应。
谱线分裂成4条，中间两条是π线，外侧两条分别是σ+线和σ-线。589.0nm的谱线是 P态向 S态跃迁产生的， P态能级在外磁场不太强时分裂成四个子能级，因此589.0nm的谱线分裂成6条。中间两条π线，外侧两边各两条σ线。
逆效应
实验中不仅可以观察到光谱发射线的塞曼效应，吸收线也会发生塞曼效应，这被称为逆塞曼效应。
破坏
只有当外 磁场 的强度比较弱，不足以破坏 自旋 -轨道 耦合 时才会出现反常塞曼效应，这时自旋 角动量 和轨道角动量分别围绕总角动量作快速 进动 ，总角动量绕外磁场作慢速进动。当磁场很强时，自旋角动量和轨道角动量不再合成总角动量，而是分别围绕外磁场进动。这时反常塞曼效应被帕邢-巴克效应所取代，其效果是恢复到正常塞曼效应，即 谱线 分裂成3条，相互之间间隔一个 亨德里克·洛伦兹 单位。这里磁场的“强”与“弱”是相对的，例如3T的磁场对于钠589.6nm和589.0nm的双线是弱磁场，不会引起 弗里德里希·帕邢 巴克效应，但对于锂的670.785nm和670.800nm的双线是强磁场，足够观察到帕邢-巴克效应
实际用途
1. 由塞曼效应实验结果去确定 原子 的总 角动量 量子数 J值和朗德因子g值，进而去确定原子总轨道角动量量子数L和总 自旋 量子数S的数值。
2. 由物质的塞曼效应分析物质的元素组成。
3.原子吸收、原子发射光学背景校正技术。