亨得裏克·安頓·洛倫茲獲得了1902年諾貝爾物理學獎。1928)和塞曼(皮特·塞曼1865?1943),以表彰他們在研究磁性對輻射現象的影響方面的特殊貢獻。
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壹種反映光電磁特性的效應。塞曼效應進壹步涉及光的輻射機制,因此被認為是繼X射線之後物理學上最重要的發現之壹。
洛倫茨是荷蘭物理學家。他的主要貢獻是建立了經典電子理論,可以解釋物質中的壹系列電磁現象和物質在電磁場中運動的壹些效應。由於塞曼效應在被發現時及時從洛倫茲理論中得到解釋,由此確定的電子荷質比與J·J·湯姆遜用陰極射線獲得的荷質比在同壹數量級上,並且相互驗證,因此洛倫茲和塞曼在1902年分享了諾貝爾物理學獎。
塞曼也是荷蘭人。1885進入萊頓大學後,與洛倫茨共事多年,曾擔任洛倫茨的助教。塞曼非常熟悉洛倫茲的電磁理論,他的實驗技術非常精湛。他在1892年因仔細測量克爾效應而獲得金獎,並在1893年獲得博士學位。他在研究磁場對光譜的影響時,得益於洛倫茲的指導和洛倫茲的理論,從而有了重大發現。下面介紹塞曼效應的發現。
塞曼最初受到法拉第工作的啟發。1845年,法拉第在強磁場作用下使平面偏振光通過玻璃,發現光的偏振面發生旋轉,進壹步證實了這是許多物質的共同性質。在1876中,克爾在1875後發現玻璃片在強電場下對光具有雙折射效應(克爾電光效應),他還發現當平面偏振光垂直入射到電磁鐵的拋光電極上時,反射光變成橢圓偏振光(克爾磁光效應)。這些效應當然是光的電磁特性的極好證據。因此,電、磁和光之間的相互作用成為物理學家在19年底密切關註的對象。
在1895左右,塞曼暫停了對克爾磁光效應的研究,以觀察磁場是否對鈉火焰的光譜有任何影響。雖然這個實驗沒有成功,但我後來知道法拉第在晚年親自做過這個實驗。他認為像法拉第這樣偉大的科學家重視這個實驗,它壹定值得認真做,所以他下定決心用當時最好的設備再次進行實驗。他當時有壹個想法,當磁力作用於火焰時,火焰發出的光周期是否會發生變化。這樣的事情真的發生了。塞曼用鹽粘上石棉條,放入電磁鐵磁極之間的氫氧火焰中,用羅蘭光柵(註:凹面光柵是當時最好的光譜儀)測試火焰光。當電磁電路接通時,D的兩條譜線(註:鈉黃譜線D1和D2)變寬。
譜線的增寬可以被認為是磁場對火焰的壹種已知效應,它導致鈉蒸汽的密度和溫度發生變化。塞曼采用了壹種在普通瓷管中強烈加熱鈉的方法,瓷管兩端用平行玻璃板密封,有效面積為65,438+0平方厘米。管子水平放置在磁場中,並垂直於磁場線。弧光燈的光穿過它。吸收光譜顯示出壹條d雙線。瓷管保持沿軸線旋轉,以避免溫度變化。激勵和激發,並立即加寬譜線。證明是磁場改變了鈉光的周期和頻率。
起初,塞曼認為光的頻率變化可能是由於原子和以太分子漩渦之間的加速和減速力;後來,開爾文勛爵向塞曼建議,也許頻率的變化可以通過將快速旋轉系統與雙擺結合起來的例子來解釋。然而,這些解釋並不令人滿意,因此塞曼轉向洛倫茨教授的電子理論進行解釋。這壹理論認為所有物體都有帶電的小分子單元;所有的電過程都來自這些“離子”的平衡和運動(註:當時還沒有發現電子),而光波是由“離子”的振動引起的。在塞曼看來,磁場中“離子”受到的直接作用力足以解釋這壹現象。
塞曼把這個想法寫給了洛倫茨教授,洛倫茨教授指導塞曼計算離子的運動。他還向塞曼指出,如果正確使用這壹理論,它應該有以下結果:從加寬的譜線邊緣發出的光應該在磁場線的方向上呈圓偏振,這可以進壹步導致離子攜帶的電荷與其質量之比e/m的計算。塞曼使用四分之壹波片和分析器,發現加磁場後譜線邊緣變寬的是從磁力線方向看的圓偏振光。
相反,如果從垂直於磁力線的方向觀察,增寬的鈉譜線邊緣顯示出平面偏振光,這與洛倫茲理論壹致。就在just湯姆遜宣布發現電子的幾個月前,塞曼還根據譜線的展寬估計了這種帶電粒子的荷質比e/m,其數量級為107CGSM/ g。J·J·湯姆遜還測量了陰極射線的荷質比,與塞曼測量的荷質比在同壹數量級,這壹結果成為電子存在的重要證據。
這樣,塞曼不僅對他發現的光譜增寬現象給出了合理的解釋,而且證明了離子(註:電子)的存在,為洛倫茲的電子理論提供了令人信服的實驗驗證。
在1896中,塞曼進壹步根據圓偏振光的旋光方向判斷產生輻射的“離子”的正負電荷。起初,他錯誤地認為它帶正電荷,壹年後更正為帶負電荷。
根據洛倫茲的電磁理論,可以推斷出以下結果:從垂直於磁場的方向看,譜線應分為三條;從平行於磁場的方向看,譜線應該壹分為二。塞曼將磁場增加到約3萬高斯,最終觀測到雙線和三線。
塞曼非常幸運地進壹步證實了洛倫茨的理論遠見,因為他後來了解到,只有單重態的譜系才能得到洛倫茨理論的預期結果。
塞曼的結果與洛倫茨的理論壹致,這不僅是洛倫茨理論的巨大成功,也使塞曼的工作迅速得到認可。然而,塞曼和他同時代的人過於相信這壹理論,這也造成了壹些困難。困難主要來自與理論不符的反常塞曼效應。
塞曼自己在實驗中看到過四次分裂和六次分裂。他沒有正視這些與洛倫茲理論不符的現象,而是壹心要把它們納入洛倫茲理論的軌道。例如,他解釋說,四重線是三重線中間的壹條“自腐蝕”成兩條,而四重線是每條三重線都“自腐蝕”成兩條。
1897年,塞曼轉到阿姆斯特丹大學任教,並繼續用那裏的設備進行實驗。主要工具是凹面光柵。但是,由於整套設備安裝在木制支架和地板上,無法避免振動的幹擾,因此實驗難度很大。據他自己說,30張照片中往往只有壹張可用,因此實驗不得不暫停。在接下來的壹段時間裏,許多同時從事這項工作的其他物理學家取得了重要成就。
在這些人中,值得壹提的是,在1897中,美國的邁克爾遜用自己發明的幹涉儀觀察到譜線在磁場中分裂成雙線。後來,邁克爾遜發明了分辨率更高的梯次光柵(1899),他用它獲得了更詳細的結果。英國人t .普雷斯頓對塞曼效應進行了深入研究。他在1898年發表的論文中詳細描述了各種磁分裂圖像,並指出洛倫茲理論不能完全解釋塞曼效應。後來普雷斯頓定律被發現。根據這壹定律,可以確定譜線的歸屬。
德國人龍格和帕辛也對塞曼效應做了大量的實驗研究。在1902中,他們列出了大量數據,並描述了磁分裂之間存在壹些共同的規律。
在1912中,帕申和巴克(E. E. A. Back)發現異常塞曼效應在極強磁場中是三重分裂的,稱為帕申-巴克效應。這些現象都無法從理論上解釋,20多年來壹直是物理學界的壹個謎。正如不相容原理的發現者泡利後來回憶的那樣:“這種不正常的分裂,壹方面具有美麗而簡單的規律,而且顯得富有成果;另壹方面,這很難理解...我覺得我不能開始。”
1921年,德國杜賓根大學教授蘭德發表了壹篇題為《論反常塞曼效應》的論文。他引入了壹個因子G來表示磁場下原子能級的能量變化率,它只與能級的量子數有關。
在1925中,烏倫貝克和戈德施密特提出了電子自旋的概念,“以解釋塞曼效應和復雜的譜線”。在1926中,海森堡和喬丹引入了自旋S,並從量子力學的角度對反常塞曼效應作出了正確的計算。可見,塞曼效應的研究推動了量子理論的發展,在物理學發展史上占有重要地位。
洛倫茨於7月18日出生於荷蘭阿南,1853。他對物理感興趣,從十幾歲開始就掌握了多門外語。1870年,洛倫茨被萊頓大學錄取,學習數學、物理和天文學。1875獲得博士學位。1877年,萊頓大學聘請他為理論物理學教授,當時洛倫茨23歲。他在萊頓大學任教35年。1911-1927期間,洛倫茨多次擔任索爾維會議主席。它在國際物理學界享有盛譽。
洛倫茨對物理學最重要的貢獻是經典電子理論的發展。1878年,他發表了壹篇關於光與物質相互作用的論文,區分了以太和普通物質,認為以太是靜止的、無處不在的,而普通物質的分子都含有帶電的諧振子;在此基礎上,他推導出了分子折射率的公式(洛倫茲-洛倫茲公式)。1892年,他開始發表關於電子理論的文章。他認為所有的物質分子都含有電子,而陰極射線粒子就是電子。電子是具有質量的小剛性球體,電子對以太完全透明。以太與物質的相互作用歸結為以太與物質中電子的相互作用。在此基礎上,他在1895中提出了著名的洛倫茲力公式。此外,在l892年,他研究了地球穿過靜態以太的影響。為了描述邁克爾遜-莫雷實驗的結果,他獨立提出了長度收縮假說,認為向以太方向運動的物體長度縮短。在1895中,他發表了壹個精確的長度收縮公式,即在運動方向上,長度收縮因子為。l899年,洛倫茨討論了慣性系之間的坐標和時間的變換,得出了電子質量與速度有關的結論。1904年,他發表了著名的洛倫茲變換公式和質量與速度的關系,並指出光速是物體相對於以太速度的極限。
此外,洛倫茨在經典物理學的許多領域都有著深厚的造詣,在熱力學、物質分子運動理論和引力理論方面都做出了貢獻。洛倫茲受到愛因斯坦、薛定諤和許多其他物理學家的尊敬。愛因斯坦曾說過,他壹生中受洛倫茲影響最深。