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1、1902 年諾貝爾物理學獎第4頁1902年諾貝爾物理學獎塞曼效應的發現和研究1902年諾貝爾物理學獎授予荷蘭萊頓大學的勞倫茲(Hendrik Antoon Lorentz，18531928)和荷蘭阿姆斯特丹大學的塞曼(Pieter Zeeman ，18651943)，以表彰他們在研究磁性對輻射現象的影響所作的特殊貢獻。磁性對輻射現象的影響也叫塞曼效應，是塞曼在1896 年發現的。它是繼法拉第效應和克爾效應之後又一項反映光的電磁特性的效應。塞曼效應更進一步涉及了光的輻射機制，因此被人們看成是繼 X 射線之後物理學最重要的發現之一。勞倫茲是荷蘭物理學家，他的主要貢獻是創立了古典電子論，這一理論能解
2、釋物質中一系列電磁現象，以及物質在電磁場中運動的一些效應。由於塞曼效應發現時及時地從勞倫茲理論得到解釋，由此所確定的電子荷質比與J.J. 湯姆森用陰極射線所得數量級相同，相互間得到驗證，因此 1902 年勞倫茲與塞曼共享諾貝爾物理學獎。塞曼也是荷蘭人， 1885年進入萊頓大學後，與勞倫茲多年共事，並當過勞倫茲的助教。塞曼對勞倫茲的電磁理論很熟悉，實驗技術也很精湛，1892 年曾因仔細測量克爾效應而獲金質獎章，並於 1893 年獲博士學位。他在研究磁場對光譜的影響時，得益於勞倫茲的指導和勞倫茲理論，從而作出了有重大意義的發現。下面介紹塞曼效應的發現經過。塞曼勞倫茲1902 年諾貝爾物理學獎第5頁
3、塞曼首先是從法拉第的工作得到啟示的。1845年，法拉第將平面偏振光通過強磁場作用下的玻璃，發現光的偏振面發生旋轉，後來進一步確定這是許多物質具有的普通性質。1876年，克爾 (Kerr)繼 1875 年發現玻璃片在強電場下對光有雙折射的作用（即克爾電光效應）之後，又發現平面偏振光垂直射在電磁鐵的磨光電極上時，反射得到的光變為橢圓偏振光（即克爾磁光效應）。這些效應對於光的電磁性質當然是極好的佐證。因此，電、磁和光之間的相互作用就成了 19 世紀末葉物理學家密切關注的對象。1895年前後，塞曼暫停克爾磁光效應的研究，想試一試磁場對鈉燄的光譜有沒有影響。這個實驗雖然沒有成功，但是後來知道法拉第晚年曾
4、親自做過這個實驗，他想法拉第這樣偉大的科學家都重視這個實驗，一定值得認真去做，於是就下決心用當時最好的設備再次進行實驗，他當時產生了一個想法，究竟磁力作用於火焰時，火焰發出的光週期會不會改變。這樣的事情果然發生了。塞曼用石棉條粘以食鹽，放在電磁鐵磁極間的氫氧燄中，用羅蘭光柵（Rowland grating）（註：即凹面光柵、是當時最好的分光儀器）檢驗火焰光。當電磁鐵電路接通時， D 的兩條譜線（註：即鈉黃光譜線D1與 D2）都看到增寬的現象。譜線增寬也許會認為是磁場對火焰的某種已知作用，引起鈉蒸氣的密度和溫度發生變化，塞曼就採用了一個方法，把鈉放在一素瓷管中強烈加熱，瓷管兩端以平行玻璃板密封，
5、其有效面積為 1 平方釐米。管子水平地置於磁場中，與磁力線垂直。弧光燈的光線穿之而過。吸收光譜顯示出 D 雙線。瓷管不斷沿軸旋轉，以避免溫度變化。通電勵磁，立即使譜線變寬。證明正是磁場使鈉光的週期和頻率發生了變化。最初有人向塞曼提出，光的頻率變化可能是由於原子與以太分子旋渦之間的加速和減速的作用力；後來，凱爾文勳爵向塞曼提出，或許可以用快速旋轉系統和雙擺結合在一起的例子，來解釋頻率變化。然而，這些解釋都不夠滿意，於是塞曼轉而從勞倫茲教授的電子理論尋求解釋。這一理論認為：一切物體都有帶電的小分子單元；一切電學過程都來自這些“離1902 年諾貝爾物理學獎第6頁子”（註：即指電子，當時尚未發現電子）
6、的平衡和運動，光波就是“離子” 的振動引起的。在塞曼看來，“ 離子” 在磁場中直接受到的作用力足以對這一現象作出解釋。塞曼將這個想法寫信告訴勞倫茲教授，勞倫茲指點塞曼計算離子的運動。他還向塞曼指出，如果這個理論用得正確，就應該有下列結果：從增寬的譜線邊緣發出的光，沿磁力線方向觀察應是圓偏振光，再進而可導致求出離子所帶電荷與其質量的比值e/m。塞曼用四分之一波片和檢偏器，發現在加磁場後增寬的譜線邊緣，從磁力線方向看去果然是圓偏振光。相反地，如果從與磁力線成直角的方向觀察，增寬了的鈉譜線的邊緣顯示是平面偏振光，果然與勞倫茲理論相符。塞曼還根據譜線的增寬，估算了這一帶電粒子的荷質比e/m，數量級為
7、107CGSM/克，這時正好是 J.J.湯姆森宣布發現電子之前幾個月。J.J.湯姆森從陰極射線也測量了荷質比，和塞曼測量所得數量級相同，這一結果就成了電子存在的重要證據。就這樣，塞曼既對他所發現的光譜增寬現象作出了合理的解釋，又證明了離子（註：即電子）的存在，對勞倫茲電子論提供了令人信服的實驗驗證。1896 年，塞曼進一步根據圓偏振光的旋光方向，判斷產生輻射的“離子” 所帶電荷的正負，起先他曾誤判為帶正電，一年後改正為帶負電。根據勞倫茲的電磁理論，還可推斷出如下結果：從垂直於磁場的方向觀察，譜線應分裂為三條；從平行於磁場的方向觀察，譜線應分裂為兩條。塞曼把磁場加大到3 萬高斯左右，終於觀察到了
8、二重線和三重線。塞曼能進一步證實勞倫茲的理論預見是非常幸運的，因為後來知道，只有單態(singlet)的譜系，才能得到勞倫茲理論預期的結果。塞曼的結果與勞倫茲理論相符，不但是勞倫茲理論的一大成功，也使塞曼的工作很快得到公認。然而，由於塞曼和他的同代人對這一理論過於相信，也造成了一些困難。困難主要來自與理論不符的反常塞曼效應(anomalous Zeeman effect) 。1902 年諾貝爾物理學獎第7頁塞曼自己在實驗中也曾看到四重分裂和六重分裂，他沒有正視這些與勞倫茲理論不符的現象，而是一心想將這些現象納入勞倫茲理論的軌道。例如：他解釋四重線，是三重線中間的一條“ 自蝕” 為兩條，而六重線
9、是三重線的每一條都“自蝕” 為兩條1897 年，塞曼轉到阿姆斯特丹大學任教，用那裡的設備繼續進行實驗，主要的儀器還是凹面光柵。但因為整套設備裝設在木質支座和地板上，無法避免振動的干擾，實驗非常困難。據他自己說，拍三十張照片，往往只有一張可用，因此只好暫停試驗。就在以後這段時間裏，其他許多同時進行這項工作的物理學家紛紛取得了重要成果。這些人中間值得特別提到的有：1897年，美國的邁克耳遜用他自己發明的干涉儀觀察到光譜線在磁場中分裂為二重線。後來邁克耳遜又發明了分辨本領更高的階梯光柵(echelon grating)（1899 年），他用階梯光柵獲得了更為精細的結果。英國人普列斯頓（T. Pres
10、ton）緊接著對塞曼效應做了深入的研究工作。他在 1898 年發表的論文中詳細敘述了各種磁致分裂圖像，並且指出勞倫茲理論不能完全解釋塞曼效應。隨後發現了普列斯頓定律。根據這條定律可以判定譜線的歸屬。德國人龍格 (Runge)和帕申 (Paschen) 也對塞曼效應進行了大量的實驗研究。1902年，他們列舉了大量數據，敘述磁致分裂之間存在某種共同的規律。1912年，帕申和巴克 (E. E. A. Back)發現在極強磁場中，反常塞曼效應又表現為三重分裂，叫做帕申 -巴克效應。這些現象都無法從理論上進行解釋，此後二十多年一直是物理學界的一件疑案。正如不相容原理的發現者鮑利後來回憶的那樣：“這不正常
11、的分裂，一方面有漂亮而簡單的規律，顯得富有成果；另一方面又是那樣難於理解，使我感覺簡直無法下手。”1921 年，德國杜賓根大學教授朗德(Land ）發表題為：論反常塞曼效應的論文，他引進一因子 g 代表原子能階在磁場作用下的能量改變比值，這一因子只與能階的量子數有關1902 年諾貝爾物理學獎第8頁。1925 年，烏倫貝克 (Uhlenbeck)與哥德施密特 (Goldschmidt)“為解釋塞曼效應和複雜譜線”提出了電子自旋的概念。 1926年，海森堡和喬丹 (Jordan)引進自旋 S ，從量子力學對反常塞曼效應作出了正確的計算。由此可見，塞曼效應的研究推動了量子理論的發展，在物理學發展史中
12、佔有重要地位。勞倫茲 1853 年 7 月 l8 日出生於荷蘭的阿納姆，少年時就對物理學感興趣並且熟練地掌握多門外語。l870 年勞倫茲考入萊頓大學， 學習數學、物理和天文。 1875 年獲博士學位。 1877年，萊頓大學聘請他為理論物理學教授，當時勞倫茲年23 歲。他在萊頓大學任教長達35 年。19111927年間勞倫茲多次擔任索爾維會議主席。在國際物理學界有崇高的名望。勞倫茲在物理學上最重要的貢獻是發展了古典電子論。1878年，他發表了光與物質相互作用的論文，把以太與普通的物質區別開來，認為以太是靜止的，無所不在，而普通物質的分子則都含有帶電的諧振子 ；在這個基礎上 ，他導出了分子折射率的
13、公式(即勞倫茲 -洛倫茨公式)。l892 年，他開始發表電子論的文章，他認為一切物質的分子都含有電子，陰極射線的粒子就是電子，電子是很小的有質量的剛性球體，電子對於以太是完全透明的，以太與物質的相互作用歸結為以太與物質中的電子的相互作用。在這個基礎上，1895 年他提出了著名的勞倫茲力公式。另外，l892 年他研究過地球穿過靜止以太所產生的效應，為了敘述邁克耳遜-莫雷實驗的結果，他獨立地提出了長度收縮的假說，認為相對於以太運動的物體，其運動方向上的長度縮短了。 1895 年，他發表了長度收縮的準確公式，即在運動方向上，長度收縮因子為cv22 1。l899 年，勞倫茲討論了慣性系之間坐標和時間的變換問題，並得出電子質量與速度有關的結論。 1904 年，他發表了著名的勞倫茲變換公式和質量與速度的關係式，並指出光速是物體相對於以太運動速度的極限。此外，勞倫茲在古典物理學的許多領域裏都有很深的造詣，在熱力學、物質分子運動論1902 年諾貝爾物理學獎第9頁和重力理論等方面，都有過貢獻。勞倫茲受到愛因斯坦、薛丁格和其他很多物理學家的尊敬，愛因斯坦就曾說過，他一生中受勞倫茲的影響最大。
