塞曼效应与科学发现

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1、年 科 学 、 技 术 与 辩 证 法 第 期塞 曼 效 应 与 科 学 发 现刘 郎彼 德 塞 曼 , 一 是 一 位 着 名 的 实 验 物 理 学 家 。 年 月 日 出生 于 荷 兰 泽 兰 境 内 的 宗 尼 玛 利 。 年 进 入 莱 顿 大 学 , 在 洛 仑 兹 , 教 授 和 昂 尼斯 教 授 的 指 导 下 学 习 物 理 学 。 。 年 以 优 异 的 成 绩 毕 业 , 并 被 母 校 聘 为 物 理 系 助教 , 成 为 洛 仑 兹 教 授 的 助 手 。塞 曼 对 麦 克 斯 韦 的 电 磁 理 论 非 常 熟 悉 , 而 且 实 验 技 术 也 很 精 湛 。 他

2、 对 克 尔 效 应 作 了 仔 细 的 测 量 , 因而 荣 获 年 荷 兰 科 学 学 会 的 金 质 奖 章 , 并 于 年 获 得 博 士 学 位 , 其 学 位 论 文 是 论 克 尔效 应 。 塞 曼 对 克 尔 效 应 的 深 入 研 究 成 为 他 发 现 光 谱 线 在 磁 场 中 产 生 分 裂 这 一 磁 光 相 互 作 用 效 应 的 直接 先 导 。早 在 年 , 法 拉 弟 就 发 现 , 当 一 束 平 面 偏 振 光 穿 过 处 于 强 磁 场 中 的 玻 璃 时 , 其 偏 孤 面 发 生 旋转 。 这 是 人 类 认 识 到 的 第 一 个 磁 光 相 互

3、炸 用 效 应 。 年 , 法 拉 弟 又 做 了 另 一 个 磁 光 实 验 , 他 把 钠焰 置 于 磁 铁 的 两 极 之 间 , 试 图 用 磁 场 去 影 响 钠 蒸 气 的 光 发 射 , 但 没 有 成 功 。 年 , 苏 格 兰 物 理 学 家 克尔 继 年 发 现 玻 璃 在 强 电 场 的 作 用 下 对 光 具 有 双 折 射 作 用 之 后 , 又 发 现 当 平 面 偏 振 光 从 磨 光 了 的 磁体 极 面 上 反 射 后 , 光 束 成 为 椭 园 偏 振 光 。 很 多 物 理 学 家 在 不 同 的 磁 化 方 向 、 不 同 的 入 射 兔 和 不 同 的

4、 光波 波 民 之 下 , 仔 细 地 观 察 了 这 个 现 象 。 。 年 柏 林 的 杜 博 伊 斯 , 年 威 斯 康 星 的 英 格 索 尔 以及 年 伦 贝 格 的 洛 里 亚 对 这 个 效 应 于 颜 色 的 依 赖 关 系 作 了 特 别 的 考 察 。 。 年 斐 兹 杰 惹 , 年 拉莫 尔 等 人 对 克 尔 实 验 作 出 了 理 论 解 释 。法 拉 弟 效 应 和 克 尔 效 应 揭 示 了 磁 场 对 传 插 着 的 光 的 影 晌 。 由 此 出 发 进 而 研 究 磁 场 对 光 源 的 影 响 则是 十 分 白 然 的 。 年 前 后 , 塞 曼 停 止

5、了 对 克 尔 效 应 的 测 量 , 转 而 研 究 磁 场 对 钠 焰 光 错 的 作 用 。 他 在一 篇 论 文 中 写 道 “ 在 作 了 克 尔 磁 光 现 象 的 测 量 之 后 , 我 产 生 了 一 个 想 法 , 究 竟 磁 力 作 用 于 火 焰 时 ,火 焰 发 出 的 光 周 期 会 不 会 改 变 。 ” 但 是 这 次 实 验 并 米 发 现 任 何 现 象 。 大 约 一 年 之 后 , 塞 曼 得 知 法 拉 弟曾 于 年 亲 自 做 过 这 一 实 验 。 他 的 反 应 是 , 法 拉 弟 这 样 伟 大 勺 实 验 天 才 都 认 为 这 个 实 验 值

6、 得 做 有 价值 , 那 么 这 个 实 验 就 值 得 用 更 好 的 仪 器 再 做 一 遍 。 而 且 塞 曼 认 识 到 他 拥 有 比 法 拉 弟 好 得 多 的 仪 器 , 区为 法 拉 弟 用 的 是 低 分 辨 率 的 棱 镜 分 光 镜 , 子 叮 也 却 能 使 用 衍 射 光 栅 , 这 样 也 许 能 发 现 法 拉 弟 所 没 有 觉 系到 的 微 弱 效 应 。 塞 曼 在 宣 布 友 现 “ 塞 曼 效 应 ” 的 时 候 说 “ 如 呆 有 一 个 象 法 拉 弟 那 样 的 人 总 到 上 面 捉及 的 关 系 的 可 能 性 的 话 , 或 许 利 用 现

7、 在 光 谱 学 的 杰 出 设 计 重 试 上 面 的 实 验 是 值 得 的 , 因 为 就 我 所 知 ,到 日 前 为 止 还 没 有 人 做 过 这 样 的 事 。 ”于 是 , 塞 曼 就 用 当 时 最 好 的 分 光 仪 器 即 罗 兰 光 栅 和 特 别 设 计 的 电 磁 铁 再 次 实 验 。 这 一 汰 他 观 察 到了 由 磁 场 引 起 的 谱 线 的 略 微 增 宽 。 塞 曼 在 论 文 中 写 道 “ 这 样 的 事 情 果 然 发 生 了 。 我 用 石 棉 条 沾 以 食盐 , 放 在 电 磁 铁 磁 极 间 的 氢 氧 焰 中 , 用 罗 兰 光 栅 检

8、 验 火 焰 光 。 当 电 磁 铁 电 路 接 通 时 , 的 两 根 谱 线按 即 钠 黄 光 谱 线 和 都 看 到 增 宽 的 现 象 。 ”年 月 川 , 塞 曼 把 上 述 结 果 报 告 给 阿 姆 斯 特 丹 科 学 院 。 这 一 现 象 发 表 后 , 有 一 些 物 理 学 家试 图 从 理 论 上 子 以 说 明 。 例 如 , 有 人 提 出 光 的 周 期 改 变 可 能 是 山 于 原 子 与 支 克 斯 韦 分 子 旋 涡 之 间 的 加速 和 减 速 的 作 用 力 , 威 廉 汤 姆 逊 五 。 也 。 则 提 出 了 一 个 关 于 快 速 旋 转 系 统

9、 和 双 摆 结 合在 一 起 的 例 子 。 但 塞 曼 认 为 , 真 正 的 解 释 可 以 从 洛 仑 兹 的 电 学 理 论 中 得 到 。 四 周 之 后 , 他 在 阿 姆 斯 特丹 科 学 院 的 另 一 次 会 议 上 报 告 说 , 洛 仑 兹 理 论 不 仅 很 好 地 解 释 了 最 初 的 实 验 结 果 , 而 且 还 预 言 加 宽 的谱 线 边 缘 发 出 的 光 应 当 是 偏 振 光 , 并 且 由 此 可 求 得 离 子 按 即 电 子 的 荷 质 比 。 。 塞 曼 宣 布 ,他 用 四 分 之 一 波 片 和 检 偏 器 , 发 现 在 磁 场 增 宽

10、 的 谱 线 边 绿 , 从 磁 力 线 方 向 看 出 是 园 偏 振 光 , 而 从 与 磁力 线 成 直 角 的 方 向 观 察 则 是 平 面 偏 振 光 , 与 理 论 预 言 相 符 。 塞 曼 测 得 离 子 荷 质 比 的 数 量 级 为克 。 这 一 结 果 虽 然 粗 糙 , 但 却 极 为 重 要 。 因 为 塞 曼 发 表 这 个 结 果 是 在 汤 姆 逊宣 布 发 现 电 子 之 前 的 几 个 月 。 汤 姆 逊 正 是 借 助 于 塞 曼 根 据 洛 仑 兹 的 电 学 理 论 所 得 到 的 上 述 结果 , 与 自 己 测 定 的 阴 极 射 线 荷 质 比

11、 进 行 比 较 , 数 量 级 都 是 , 从 而 得 到 确 实 证 据 的 。根 据 洛 仑 兹 的 理 论 还 可 推 得 , 从 垂 直 于 磁 场 的 方 向 观 察 , 谱 线 应 分 裂 为 三 条 , 从 平 行 于 磁 场 的 方向 观 察 , 谱 线 应 分 裂 为 两 条 。 年 春 , 塞 曼 转 到 阿 姆 斯 特 丹 大 学 后 , 把 磁 场 加 大 到 万 高 斯 左 右 ,终 于 观 察 到 二 重 线 和 三 重 线 。 应 当 指 出 , 塞 曼 能 进 一 步 证 实 洛 仑 兹 的 这 一 理 论 预 言 是 非 常 幸 运 的 。 因为 后 来 知

12、 道 , 只 有 单 一 态 的 谱 系 , 才 能 得 到 洛 仑 兹 理 论 所 预 期 的 结 果 。在 阿 姆 斯 特 丹 大 学 , 尽 管 塞 曼 所 用 的 主 要 仪 器 还 是 罗 兰 光 栅 , 但 因 为 整 套 设 备 安 装 在 木 质 支 座 和地 板 上 , 无 法 避 免 振 动 的 干 扰 , 以 致 他 所 拍 摄 的 光 谱 图 几 乎 不 能 用 。 这 就 严 重 地 妨 碍 了 研 究 工 作 的 继续 进 行 , 因 此 塞 曼 在 了 年 底 不 得 不 暂 停 试 验 。 正 是 在 这 以 后 的 一 段 时 间 里 , 其 他 许 多 同

13、时 一 进 行 这 项工 作 的 物 理 学 家 纷 纷 取 得 了 重 要 的 成 果 , 特 别 是 在 反 常 塞 曼 效 应 的 研 究 方 面 。塞 曼 效 应 对 于 原 子 结 构 的 研 究 有 着 重 要 的 意 义 , 它 对 泡 利 原 理 和 电 子 自 旋 的 发 现 , 对 发 光 机 制 的详 细 了 解 以 及 更 多 的 事 情 都 是 具 有 决 定 意 义 的 。 塞 曼 效 应 的 进 一 步 研 究 推 动 了 量 子 力 学 的 发 展 , 而 且它 与 量 子 力 学 符 合 , 成 为 量 子 力 学 的 重 要 实 验 证 明 之 一 。塞 曼

14、 的 发 现 由 于 及 时 得 到 洛 仑 兹 的 理 论 解 释 而 很 快 得 到 公 认 。 另 一 方 面 , 塞 曼 的 实 验 结 果 与 洛 仑兹 理 论 的 一 致 也 被 看 成 是 后 者 的 一 大 成 功 。 所 以 , 年 发 现 的 塞 曼 效 应 被 誉 为 是 物 理 学 上 继 射 线之 后 的 一 大 发 现 。 塞 曼 和 洛 仑 兹 也 因 关 于 这 一 现 象 的 研 究 而 荣 获 年 度 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 。从 塞 曼 效 应 发 现 的 经 过 , 我 们 可 以 得 到 如 下 几 点 启 发 。第 一 , 一 个 科 学 工

15、 作 者 应 当 努 力 把 握 本 门 学 科 发 展 的 必 然 趋 势 , 选 择 好 突 破 口 , 抓 住 有 利 时 机 ,及 时 做 出 科 学 发 现 。 从 塞 曼 效 应 发 现 的 科 学 背 景 来 看 , 它 是 当 时 物 理 学 发 展 的 一 个 必 然 结 果 。 一 方面 , 法 拉 弟 、 克 尔 等 人 所 渴 示 的 磁 和 传 播 着 的 光 的 联 系 , 为 以 后 试 图 发 现 磁 对 光 源 的 影 响 奠 定 了 实 验基 础 另 一 方 面 , 由 麦 克 斯 韦 最 后 完 成 的 电 磁 场 理 论 则 使 得 拉 莫 尔 和 洛

16、仑 兹 等 人 从 理 论 上 去 寻 找 磁 场对 光 产 生 影 响 的 可 能 性 。 拉 莫 尔 甚 至 还 在 电 子 被 确 认 之 前 , 就 从 理 论 上 证 明 了 旋 转 或 振 动 着 的 原 子按 即 电 子 形 成 电 流 , 因 而 辐 射 频 率 将 受 到 磁 场 的 影 响 而 发 生 移 动 , 并 具 体 地 计 算 了 所 预 期 的 谱线 分 裂 。 可 以 这 样 说 , 在 十 九 世 纪 末 叶 , 电 、 磁 和 光 之 间 的 相 互 作 用 成 了 物 理 学 家 们 密 切 关 注 的 对象 。 因 此 , 塞 曼 效 应 的 实 验 发 现 决 不 是 偶 然 的 , 而 是 过 去 三 十 五 年 以 来 按 从 年 法 拉 弟 实 验 算起 至 年 塞 曼 效 应 发 现 为 止 一 直 激 励 着 人 们 探 测 磁 和 光 相 互 作 用 的 理 论 观 点 的 成 果 。 从 物 理 学 发展 的 进 程 来 看 , 塞 曼 效 应 的 发 现 是 必 然