原子物理學(xué)：第6章 第5節(jié) 塞曼效應(yīng)

1、 6.5 塞曼效應(yīng)（Zeeman Effect)1896年，塞曼發(fā)現(xiàn)光源在磁場(chǎng)中的光譜線變寬了，仔細(xì)觀察后，發(fā)現(xiàn)每一條譜線分裂成幾條。一、塞曼效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)正常塞曼效應(yīng)鎘6438.47埃紅色譜線的分裂，將鎘光源放到足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中。垂直于磁場(chǎng)方向：光譜分裂成三條，其中一條在原來的位置，左右各兩條，都是平面偏振光。平行于磁場(chǎng)方向：中間的光譜消失，兩邊兩條變成圓偏振光。沿著磁場(chǎng)方向看，頻率高的偏振轉(zhuǎn)向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，頻率低的偏振轉(zhuǎn)向相反。代表電矢量平行磁場(chǎng)的那條譜線，代表電矢量垂直于磁場(chǎng)的譜線。BB無磁場(chǎng)垂直于B方向觀察平行于B方向觀察橫向觀察，垂直于B的光的傳播，看到三條偏振光；一條與B平行（）；兩條

2、與B垂直（）BB無磁場(chǎng)垂直于B方向觀察平行于B方向觀察鈉黃光的塞曼效應(yīng)：2P1/2,3/2 2S1/2躍遷產(chǎn)生5890埃和5896埃的兩個(gè)黃光。1896年塞曼發(fā)現(xiàn)光譜線在磁場(chǎng)中發(fā)生三分裂后，洛倫茲用經(jīng)典的方法給出了理論的解釋，所以又稱為正常塞曼效應(yīng)。1897年，T. Preston發(fā)現(xiàn)，譜線的分裂可以不是三個(gè)，從而稱為“反常塞曼效應(yīng)”。理論的解釋一直等到烏倫貝克-古茲米提出電子自旋的假設(shè)才得到完整的理論解釋。反常塞曼效應(yīng)1920年，索末菲將反常塞曼效應(yīng)列為“原子物理懸而未決的問題”之一。原子在磁場(chǎng)中能量的分裂設(shè)有一個(gè)光譜是由能級(jí)E2向E1躍遷的結(jié)果，則：如果考慮能級(jí)的分裂：其中為洛倫茲單位二、

3、塞曼效應(yīng)的理論解釋選擇定則（產(chǎn)生 線，當(dāng)J=0時(shí)，M2=0 M1=0除外）(產(chǎn)生線)Cd6438埃的譜線是由 之間的躍遷，g都等于1，M2=2, 1, 0, -1, -2；M1=1, 0, -1。格羅春圖M2g2 2 1 0 -1 -2M1g1 1 0 -1（M2g2 - M1g1）=0 0 0-1 -1 -11 1 1 0L01D21P16438無磁場(chǎng)有磁場(chǎng)Cd6438的正常塞曼效應(yīng)躍遷圖MMg-1-2-1-2210210-1-11010Cd6438能級(jí)躍遷：一共9種躍遷，對(duì)應(yīng)3種能量差，中間譜線仍然在原來的位置，左右兩條等于一個(gè)洛倫茲單位。其中為洛倫茲單位Na黃光的塞曼效應(yīng)2P3/22P1

4、/22S1/22S1/22P3/22P1/2L S J M g Mg 0 1/2 1/2 1/2 2 1 1 1/2 1/2 1/2 2/3 1/3 1 1/2 3/2 1/23/2 4/3 2/3 6/32S1/2在外磁場(chǎng)中2P3/2分裂為四個(gè)塞曼能級(jí)， 間距為4 BB /3；2P1/2分裂為二，間距為 2BBo/3 ； 2S1/2分裂為二，間距為 2BBo2P3/22S1/2M 3/2 1/2 -1/2 -3/2 M2g2 6/3 2/3 -2/3 -6/3M1g1 1 -1-1/3 1/3-5/3 -3/33/3 5/32S1/22P3/22P1/2L S J M g Mg 0 1/2

5、1/2 1/2 2 1 1 1/2 1/2 1/2 2/3 1/3 1 1/2 3/2 1/23/2 4/3 2/3 6/32P1/22S1/2M 1/2 -1/2 M2g2 1/3 -1/3 M1g1 1 -1（M2g2 - M1g1）=-2/3 2/3-4/34/32S1/22P3/22P1/2L S J M g Mg 0 1/2 1/2 1/2 2 1 1 1/2 1/2 1/2 2/3 1/3 1 1/2 3/2 1/23/2 4/3 2/3 6/3相應(yīng)塞曼譜線的頻率為波數(shù)為：洛侖茲單位：設(shè)電磁波沿 z 軸傳播，電矢量必在 xy 平面（橫波特性）當(dāng)=0時(shí)，為線偏振光；當(dāng)=/2，A=B時(shí)

6、,為圓偏振光。沿著 z 鈾對(duì)準(zhǔn)光傳播方向觀察見到的電矢量作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，稱右旋偏振，假如見到的電矢量作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，稱左旋偏振。三、塞曼效應(yīng)的偏振特性光子角動(dòng)量方向和電矢量旋轉(zhuǎn)方向組成右手螺旋定則對(duì)右旋偏振，角動(dòng)量方向與傳播方向相反，對(duì)左旋偏振，兩者相同光傳播方向光傳播方向光傳播方向光傳播方向塞曼效應(yīng)的偏振對(duì)于MM2-MI1，原子在磁場(chǎng)方向的角動(dòng)量減少1個(gè) ，把原子和發(fā)出的光子作為一個(gè)整體，角動(dòng)量必須守恒。因此，所發(fā)光子必定在磁場(chǎng)方向具有角動(dòng)量 ，當(dāng)面對(duì)磁場(chǎng)方向觀察時(shí)，我們將觀察到+左旋偏振光MM2-MI1MM2-MI-1對(duì)于M=M2-M1= -1 ，原子在磁場(chǎng)方向的角動(dòng)量增加1個(gè) ，所發(fā)光子必定

7、在與磁場(chǎng)相反的方向上具有角動(dòng)量 ，因此，面對(duì)磁場(chǎng)方向時(shí)，將觀察到-右旋偏振光。MM2-MI1MM2-MI-1對(duì)于這兩條譜線，電矢量在xy平面，因此，在與磁場(chǎng)B垂直的方向(例如y方向)觀察時(shí)，只能見到Ex分量(橫波特性)，我們觀察到二條與B垂直的線偏振光。對(duì)于M=M2-M1=0的情況，原子在磁場(chǎng)方向的角動(dòng)量不變，光子必定具有與磁場(chǎng)方向垂直的角動(dòng)量。相應(yīng)的電矢量分解為z方向的Ez和xy平面內(nèi)的Exy，xy平面內(nèi)的電矢量因相互疊加而消失，最后僅剩下z方向的電矢量。在與磁場(chǎng)方向垂直的方向上，觀測(cè)到沿磁場(chǎng)方向的平面偏振光。沿磁場(chǎng)觀察不到譜線如果磁場(chǎng)B加強(qiáng)到一定程度，破壞了L-S耦合，則一切反常塞曼效應(yīng)趨于正常塞曼效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為帕邢巴克效應(yīng)。這時(shí)原子在磁場(chǎng)中的附加能量主要由S 和L在磁場(chǎng)中的能量來決定。四、帕邢巴克效應(yīng)在強(qiáng)磁場(chǎng)中的附加能量的值由ML和MS的組合決定，L一定時(shí)ML有（2L+1）個(gè)可能值，MS有（2S+1）個(gè)可能值，組合結(jié)果使附加能量有若干個(gè)可能值，因此磁場(chǎng)中每一個(gè)能級(jí)將分裂為若