Question

1896年物理学家塞曼在实验室中观察到了放在磁场中的氢原子的核外电子的旋转频率发生改变（即频率移动）的物理现象，后来人们把这种现象称之为塞曼效应。如图所示，把基态氢原子放在匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B，方向与电子作圆周运动的轨道平面垂直，电子的电量为e，质量为m，在发生塞曼效应时，必须认为电子运动的轨道半径始终保持不变。那么：
（1）在发生塞曼效应时，沿着磁场方向看进去，如果电子做顺时针方向旋转，那么电子的旋转频率与原来相比是增大了还是减小了？电子做逆时针方向旋转时的情况又如何呢？
（2）试说明：由于磁场B的存在而引起氢原子核外电子的旋转频率的改变（即频率移动）可近似地由下式给出：（提示：①频率的改变量：；②很小，即：或……）

 

Answer 1

（1）增大;   减小    
（2）设氢原子不放在磁场中时电子的角速度为，氢原子放在磁场中时电子的角速度为，线速度为，由题意分析列出：
①                                        
②                    
③                                     
由以上三式得：                          
整理得：       
很小，即
                                      

（1）由左手定则可知，电子顺时针方向旋转时，所受洛仑兹力的方向与库仑力的方向一致，即向心力变大，而匀速圆周运动的，由于m和r不变，因而角速度或频率必定增大（）；                                                                          1分
同理，电子逆时针方向旋转时，洛仑兹力与库仑力共线反向，向心力变小，而匀速圆周运动的，由于m和r不变，角速度或频率必定减小。              1分
（2）设氢原子不放在磁场中时电子的角速度为，氢原子放在磁场中时电子的角速度为，线速度为，由题意分析列出：
①                                                 ①（1分）
②                                      ②（1分）
③                                     ③（1分）
由以上三式得：                           ④（1分）
整理得：                 （1分）
很小，即
                                      ⑤（1分）