光譜線展寬的物理機制講解

1、光譜線展寬的物理機制摘要本文首先介紹了原子光譜的形成和原子譜線的輪廓，以及用來定量描述譜線輪廓的三個物理量譜線強度、中心頻率和譜線半高寬。接下來對光譜線展寬的各種物理機制作了定性或定量地分析。詳細(xì)地推導(dǎo)了譜線的自然展寬、多普勒展寬（高斯展寬）和洛倫茲展寬的半高寬公式。并推導(dǎo)出了佛克脫半高寬、多普勒半高寬和洛倫茲半高寬之間的關(guān)系式。給出了赫魯茲馬克展寬（共振展寬）的半高寬公式。定性地分析了譜線的自吸展寬。以類氫離子為例說明了同位素效應(yīng)引起的同位素展寬。定性地分析了原子的核自旋對譜線寬度的影響。說明了在有外電場或內(nèi)部不均勻強電場存在的情況下譜線會產(chǎn)生斯塔克變寬，在有外磁場存在的情況下譜線會產(chǎn)生塞曼

2、變寬。最后對光譜線展寬的各種物理機制做了一個簡單的總結(jié)，指出光譜線展寬的實質(zhì)是光的頻率發(fā)生了變化，各種新頻率光的疊加導(dǎo)致了光譜線的展寬。并說明了對光譜線展寬的物理機制的研究，在提高光的單色性和物理量測量等方面具有重要的意義。關(guān)鍵詞：譜線展寬；物理機制；譜線輪廓；半高寬THEPHYSICALMECHANISMOFSPECTRALLINEBROADENINGABSTRACTFirstly,weintroducetheformationofatomicspectrumandtheoutlineofatomicspectrallineinthispaper,aswellasthreephysicalq

3、uantitiesintensityofspectralline,centerfrequencyandhalfwidthofspectrallineprofilewhichareusedtodescribespectrallineprofilequantitatively.Nextweanalyzevariousphysicalmechanismofspectrallinebroadeningqualitativelyorquantitatively.Thenaturalhalfwidthofspectralline,halfwidthofDopplerspectrallineprofile(

4、Gaussianspectrallineprofile)andhalfwidthofLorentzspectrallineprofilearederiveddetailedly.AndtherelationshipofhalfwidthofVoigtspectrallineprofile,halfwidthofDopplerspectrallineprofileandhalfwidthofLorentzspectrallineprofileisalsoderiveddetailedly.WeintroduceHoltsmarkbroadening(resonancebroadening)and

5、givehalfwidthofHoltsmarkspectrallineprofile.ItisintroducedqualitativelyhowtheSelf-absorptionbroadeningaffectsspectrallineprofile.TakingHydrogenicionsforanexample,weexplainisotopebroadeningcausedbyIsotopeeffect.Spectrallinebroadeningcausedbynuclearspinisanalyzedqualitatively.StarkeffectcancauseStarkb

6、roadeningwhenthereisexternalelectricfieldorinternalnon-uniformstrongelectricfield,andZeemaneffectcancauseZeemanbroadeningwhenthereisexternalmagneticfield.Finally,wemakeasummaryonthephysilcalmechanismofspectrallinebroadening,pointingoutspectrallinebroadeningisessentiallyachangeinthefrequencyofspectra

7、llines,andsuperpositionofvariousspectrallineshavinganewfrequencycomponentleadstospectrallinebroadening.Thestudyonthephysilcalmechanismofspectrallinebroadeninghasveryimportantsignificanceinmanyaspects,forexample,theimprovingofspectralline'smonochromaticity,themeasurementofphysicalquantitiesandsoo

8、n.KEYWORDS:spectrallinebroadening;physicalmechanism;spectralLineprofile;halfwidth前言1第一章原子譜線的輪廓2§1.1原子發(fā)光機理和光譜線的形成2§1.2原子譜線的輪廓2第二章光譜線展寬的各種物理機制4§2.1自然寬度4§2.2多普勒展寬5§2.3洛倫茲展寬7§2.4赫魯茲馬克展寬9§2.5自吸展寬9§2.6佛克脫譜線寬度10§2.7譜線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)12§2.7.1同位素效應(yīng)12§2.7.2原子的核自旋13

9、§2.8場致變寬14§2.8.1斯塔克變寬14§2.8.2塞曼變寬15總結(jié)17參考文獻(xiàn)18致謝20I-LX.1刖言無論是原子的發(fā)射線輪廓或是吸收線輪廓，都是由各種展寬因素共同作用而成的。能量和時間的不確定關(guān)系可以導(dǎo)致譜線的自然展寬；光源中基本粒子的無規(guī)則運動會引起光譜線的多普勒展寬；激發(fā)態(tài)原子在運動過程中與其它種類粒子相互作用（碰撞）會引起譜線的洛倫茲展寬；激發(fā)態(tài)原子與同類基態(tài)原子碰撞或受其靜電場作用會引起赫魯茲馬克展寬（共振展寬）；光源輻射的共振線通過周圍較冷的同類原子時被部分吸收會引起自吸展寬；同位素效應(yīng)和核自旋會使譜線進(jìn)一步分裂而形成譜線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)；外電場

10、、等離子體中的不均勻強電場以及高速運動中的高密度帶電粒子會引起譜線的斯塔克變寬；原子在磁場中時產(chǎn)生的塞曼效應(yīng)，會導(dǎo)致塞曼變寬。這種共同作用是不能用簡單的加合方法得到的，因而譜線的輪廓要由一個復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)來表示。所以全面了解譜線展寬的各種物理機制就變得非常必要。另外，近年來譜線展寬在原子吸收測量、激光原理分析、大氣風(fēng)場探測等方面的應(yīng)用得到人們的普遍關(guān)注，譜線展寬的研究也得到了越來越多的重視。對光譜線展寬的物理機制的分析可以為我們?nèi)绾翁岣吖獾膯紊蕴峁├碚撋系囊罁?jù)，而光的單色性在光譜學(xué)、光的干涉和光學(xué)成像等方面有著重要的作用。此研究還可為許多物理量的測量提供理論依據(jù)，如溫度、壓強、速度、成分、粒

11、子數(shù)密度和電磁場等。由此可見，此研究無論是在理論上還是在實踐中均有其重要意義。目前國內(nèi)外同類研究有些只詳細(xì)分析了各種展寬因素中的一種或某幾種，介紹不是特別全面。有些雖然介紹比較全面，但是分析過程又比較簡單。本文將盡可能既全面又詳細(xì)地分析譜線展寬的各種物理機制。1(13)第一章原子譜線的輪廓§1.1原子發(fā)光機理和光譜線的形成由原子結(jié)構(gòu)理論可知，當(dāng)原子處于基態(tài)或某個激發(fā)態(tài)時，并不發(fā)射或吸收光子，只有當(dāng)原子從一個狀態(tài)躍遷到另一個狀態(tài)時，能量的改變值才以光子的形式被輻射或吸收。一個發(fā)光源含有許多處于不同能量狀態(tài)的原子,所以在同一時間，光源可以發(fā)射出很多條波長不同的光譜線來。由于原子處于基態(tài)和

12、各個激發(fā)態(tài)時的能量是一些確定的分立值，所以對于某種確定的原子構(gòu)成的光源來說，它的光譜線也是分立的，而且其頻率和波長具有確定的值。對于這些譜線的波長成分和強度分布的記錄就形成了光譜。§1.2原子譜線的輪廓圖1-1譜線輪廓2原子譜線并非一條嚴(yán)格的幾何線。理論和實驗表明，無論是發(fā)射線還是吸收線都具有一定的形狀，即譜線輪廓。所謂譜線輪廓是指譜線強度按頻率有一分布值，強度隨頻率的改變是急劇的。圖11所示為原子發(fā)射譜線輪廓。設(shè)強度最大處相應(yīng)的頻率為o，強度為I，定義強度為I處所對應(yīng)的000頻率O與o之間的距離o-u=Au為譜線的半高12121寬（即譜線寬度）。譜線半高寬也可用AX或Ao表示2。因

13、為九=c/，所以A九-cAu(11)5又因為o=2兀o，所以有(12)AuA九Aou九o如果我們認(rèn)為Au、AX和Aw都為正值，則（12）式可改寫為AuAXAwuXw在譜線半高寬范圍內(nèi)的部分稱為光譜線的核，在頻率小于u和大于u的12兩部分稱為光譜線的翼。一般以譜線強度I，譜線半高寬Au和中心頻率u來定量描述譜線輪廓。00第二章光譜線展寬的各種物理機制§2.1自然寬度按照玻爾的原子模型，原子內(nèi)的電子是處在一些不穩(wěn)定、不連續(xù)的能量狀態(tài)中，當(dāng)一個電子從能量高的狀態(tài)向能量低的狀態(tài)躍遷時，就向外輻射出一個光子，所輻射光子的頻率U與電子躍遷的兩能量狀態(tài)之間的能級差的關(guān)系是E-E/、u=jJ（21）

14、h這實際上隱含著一個條件，即電子在每一能級上停留的時間為無限長。這顯然是一種理想化的假設(shè)。原子處于某一能量狀態(tài)E時，具有一定的壽命At。根據(jù)微觀粒子的不確定關(guān)系hAEA>4兀(2-2)可知：電子處在某能級時，實際的能量有一不確定的范圍寬度的能級所輻射的譜線，也必定是具有一定的自然寬度AE。因此，從一定Au的譜線，或者N說，能量不確定值A(chǔ)E引起頻率不確定量Au24。N根據(jù)（22）式可得AE>4兀A(23)從而有AE+AE11Au=ij=+Nh4兀-At4兀-Atij(24)由于在同類大量原子中，處在相同能級上的電子，有的停留時間長，有的停留時間短，可以用一個平均壽命At來表示2，所以

15、（24）式又可表示為Au=+n4兀At4兀Atij由于原子基態(tài)的壽命很長，或者說是有無限長的壽命，因此，對于共振線來(25)(2-8)說，在(2-5)式中與At對應(yīng)的一項可以忽略，所以有iAuN14兀-At(2-13)7可以看出，譜線的自然寬度取決于激發(fā)態(tài)原子的平均壽命。壽命越短，譜線越寬；壽命越長，譜線越窄。不同譜線的自然寬度是不同的，通常譜線的自然寬度A約為10-5nm。N§2.2多普勒展寬多普勒展寬又叫高斯展寬。光源粒子的無規(guī)則運動是譜線多普勒展寬的根本原因。在原子光譜的光源中，每一個發(fā)光原子都可以看做是一個進(jìn)行無規(guī)則運動的微光源。運動著的發(fā)光原子在觀測方向的速度分量會對Au有

16、貢D獻(xiàn)。如果運動方向背離觀察者，則在觀察者看來，其頻率就較靜止原子的發(fā)光頻率低；如果運動方向朝向觀察者，則在觀察者看來，其頻率就較靜止原子的發(fā)光頻率高。由于原子的無規(guī)則運動，檢測器所接收到的是許多頻率略有不同的光，從而引起譜線總體的加寬和變形。一般來說，面向和背向接收器運動的原子數(shù)基本上是相同的，因而，譜線輪廓的兩翼應(yīng)是對稱變寬，中心頻率無位移，但中心頻率處的強度會降低4。設(shè)某一發(fā)光原子的中心頻率為U，原子相對于接收器的速度沿原子與接0收器連線方向的分量為V，則根據(jù)光學(xué)多普勒效應(yīng)，接收器測得的光波頻率z為c+V=Uz0c-V1z=u01+Vcl-lc其中c為光在真空中的速度。當(dāng)原子朝向接收器運

17、動時,(2-7)V為正值；當(dāng)原子z背離接收器運動時，V為負(fù)值。z在這里V<<c，因此有p沁0。我們可根據(jù)泰勒定理8，將u在r=0附zcc近展開，并取一級近似。又因為所以有(V)匚V)1z+1+zkc丿kc丿uz(0)+$(0)N-0Ic丿(2-9)=u+u00由于原子的無規(guī)則運動，各個原子具有不同方向、不同大小的熱運動速度。以氣體為例，根據(jù)分子運動論，氣體原子的熱運動速度服從麥克斯韋統(tǒng)計分布規(guī)律：在溫度為T的熱平衡狀態(tài)下，速度的z方向分量在V附近dv區(qū)zz間內(nèi)的原子數(shù)占總原子數(shù)的比率為f(v)dv=m為一個原子（或分子）的質(zhì)量,數(shù)。設(shè)單位體積內(nèi)中心頻率為o1 -mV2/、2 ez(

18、2kT)dV9z(2-10)k2兀kT丿T為氣體的熱力學(xué)溫度，k為玻耳茲曼常的發(fā)光原子數(shù)為0為o且z方向速度分量為VV+dV的原子數(shù)為0zzzn，則單位體積內(nèi)中心頻率n(V)dv=nf(v)dv=nzzzz-mV2/e”(2kT)dvz(2-11)將（29）式代入（211）式可得：在中心頻率為o的前提下，單位0體積內(nèi)發(fā)光頻率為oo+do的原子數(shù)為1 -m（o-o0）2c,2 e2叫20du0這就是中心頻率o附近，原子數(shù)按頻率o的分布規(guī)律。0由（2-12）式可以看出，不同速度原子發(fā)出的頻率是不同的?；蛭諒姸菼（o）正比于n（o）,所以多普勒展寬譜線的強度為nG)do=n(2-12)因為發(fā)射I(

19、o)=Ie-硫(°-°0)20(2-14)當(dāng)1gl21和時，對應(yīng)的頻率為由此可得出多普勒展寬譜線的半高寬為Au=2oD0=2.26x10-80f也ln2Vme2丿/F、i212=2u0VMe2f2RTIn2丿(2-15)其中，M為原子的摩爾質(zhì)量。由(215)式可以看出,在中心頻率一定的情況下,AuD取決于輻射源(217)9的溫度和原子的相對原子質(zhì)量。溫度越高，Au越大。相對原子質(zhì)量大的原D子，變寬效應(yīng)較小；相對原子質(zhì)量小的原子，變寬效應(yīng)就比較嚴(yán)重。通常多普勒展寬約為10-3nm數(shù)量級，比譜線的自然寬度大2個數(shù)量級4。§2.3洛倫茲展寬激發(fā)態(tài)原子在運動過程中與其它種

20、類粒子碰撞，會導(dǎo)致譜線變寬，這種變寬稱為洛倫茲展寬。這種碰撞發(fā)生時，將使發(fā)光原子激發(fā)態(tài)的壽命變短，與自然展寬相似，該激發(fā)態(tài)的能量不確定量為hAE>(216)4兀-Te這里T為相繼碰撞間的平均時間，其值一般比決定自然寬度的激發(fā)態(tài)壽命還e要短，因而由于碰撞引起的變寬比自然寬度要大。顯然，氣體粒子密度越大，氣體壓力越高，T必然越小，由碰撞引起的變寬也將越嚴(yán)重。e由于共振線是處于激發(fā)態(tài)的原子躍遷到基態(tài)所形成的光譜線，并且原子基態(tài)壽命可視為無窮大，所以，與自然展寬相似，洛倫茲半高寬Au表示式L對共振線為AuL(2-24)在含有兩種原子A、B的混合氣體中，單位體積內(nèi)每秒發(fā)生的二元碰撞數(shù)Z為AB其中,

21、Z=nn兀(r+r)2V1ABABABABn分別是A、B兩種原子的濃度；r、BA(2-18)r分別是兩種原子的有效B半徑;丁是平均相對速度。一種原子的碰撞數(shù)為ABAfn，其倒數(shù)就/B11等于碰撞壽命Tcnt=AcZAB1n兀(r+rvBABAB(2-19)其中v=AB8kT(11)+、mm丿、AB7T210(2-20)m、m分別為A、AB稱為有效碰撞截面,B兩種原子的原子質(zhì)量。若以a2（注意：這里的a雖然但它的單位是米，而不是平方米。）來代替（r+r匕，則(2-19)式可化為8kT(11)-+.mm丿、AB71(2-21)r11）+IMM丿、AB7M分別為A、B兩種原子的摩爾質(zhì)量。B2a2nB

22、2兀RT其中M、A將（221）式代入（217）式可得,a2nAu=Bl2兀2兀RTr11)+IMM丿、AB7(2-22)n的數(shù)值與壓力和熱力學(xué)溫度有關(guān)Bn=9.74X1018PBT因此有Au二4.87x10i8Pc2L2Rr11)+兀T；氣MB丿12由上式可以看出，隨著外部氣體壓強的升高，洛倫茲展寬加劇。§2.4赫魯茲馬克展寬激發(fā)態(tài)原子與同類基態(tài)原子碰撞或受其靜電場作用而引起的譜線變寬稱為赫魯茲馬克展寬。因碰撞對象是基態(tài)原子，只有共振線會產(chǎn)生這種變寬，因而又稱為共振變寬，記為Au或A九ii。RR共振變寬可用下式表示A九二4.484九3fC(2-25)R0式中，九為譜線中心波長；f為振

23、子強度；C為元素的原子濃度4。0由(13)式可得ucuAu=尹A九=4.484嚴(yán)fCR九R九2.00(226)u3=4.484十fCC2其中C為光速；u為譜線的中心頻率。0由上式可見，共振變寬與共振線中心頻率的立方成正比，因此測定頻率對Au的影響很大，頻率越大，Au值越大；變寬效應(yīng)隨碰撞原子密度的增RR大而增大，因此當(dāng)分析物的原子密度較大時，這種共振變寬效應(yīng)可能變得十分顯著，其半高寬基本上與分析物的原子密度成正比，有時據(jù)此可進(jìn)行高濃度成分的定量分析M2。§2.5自吸展寬在光源等離子體中，不僅存在著發(fā)射過程，而且伴隨著吸收過程。由于等離子體占據(jù)一定的空間，而且溫度分布和原子濃度分布都不

24、均勻，所以發(fā)射過程和吸收過程也不平衡。一般來說，原子在光源中心的高溫區(qū)域被激發(fā)，發(fā)射某一波長的譜線，而在邊緣的低溫區(qū)域可被同一元素的原子所吸收，這種吸收現(xiàn)象稱為譜線的自吸。共振線是原子由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)而發(fā)射的譜線，而在光源邊緣的低溫區(qū)域中處于基態(tài)的原子最多，因而共振線的自吸最顯著。圖2-1自吸對譜線輪廓的影響問譜線自吸的存在，可使實際觀察到的譜線輪廓和強度都發(fā)生變化。這種變化，隨著自吸程度的不同而不同，如圖2-1。自吸的程度通常與等離子體的溫度分布和原子濃度分布有關(guān)。當(dāng)元素濃度較低時，譜線的自吸很小，譜線輪廓的中心仍有一明顯的峰值，如圖中第1條線；當(dāng)元素濃度較高時，譜線產(chǎn)生自吸，譜線輪廓的中

25、心沒有明顯的峰值，如圖中第2條線；當(dāng)元素濃度更高時，譜線產(chǎn)生嚴(yán)重的自吸，稱為自蝕，這時譜線輪廓的中心產(chǎn)生一明顯的極小值，如圖中第3條線；當(dāng)元素濃度非常高時，譜線產(chǎn)生嚴(yán)重的自蝕，譜線輪廓中心的極小值可以接近背景值，于是一根譜線在外觀上象兩根單獨的譜線，如圖中第4條線13。在氣體放電中，由于光源輻射區(qū)域的不均勻性，自吸收現(xiàn)象是不可避免的。§2.6佛克脫譜線寬度*r圖2-2三種線型的比較由前面分析可知，決定譜線寬度的因素有很多，包括自然展寬、多普勒展寬、洛倫茲展寬、赫魯茲馬克展寬和自吸展寬等。對于氣體工作物質(zhì)來說，主要的譜線加寬類型是由碰撞引起的均勻加寬（洛倫茲光譜線型）和分子熱運動引起的

26、多普勒非均勻加寬（高斯光譜線型）。洛倫茲光譜線型是由于粒子之間的相互碰撞引起的，不僅依賴于壓強還依賴于分子的碰撞截面，而高斯光譜線型只依賴于溫度T。在低壓情況下多普勒展寬占優(yōu)勢，而當(dāng)壓強很高的情況下碰撞展寬占優(yōu)勢。在壓強處于兩者之間的情況下，兩種展寬機制都不能忽略14。研究表明，對于大多數(shù)原子來說，最接近實際的光譜線型是多普勒線型和洛倫茲線型的卷積一一佛克脫線型。一般情況下，佛克脫線型在吸收或輻射中心頻率處的光譜強度介于多普勒線型和洛倫茲線型之間，但是半高寬比洛倫茲線型大，而比多普勒線型稍大，這點可從圖22看出。佛克脫線型定義為f(uu)=fy(227)0兀-8y2+(xt)2其中y=vln2

27、；x=丄oJin2；f=v'ln2；Au和Au分別為多普勒AuAuAudlDDD半高寬和洛倫茲半高寬；t為積分變量；f(uu0)代表佛克脫光譜線型分布。這是一個積分形式，沒有解析式，研究起來比較困難。但通過對佛克脫線型函數(shù)的傅里葉變換可以得到一個精確的對稱的非積分形式的佛克脫線型分布，經(jīng)過討論，可以得到佛克脫線型半高寬與多普勒和洛倫茲線型半高寬有以下關(guān)系(228)-4k-Au-Au-in2Au2Au2-incoslv=vain2Au2Au2DD式中，Au為佛克脫線型半高寬。(228)式又可改寫為(229)V,4兀Au-Au-in2,incoslv=in2Au2D從而有(230)4k-A

28、u-Au-in2宀coslv=2Au2從(230)數(shù)在零點的展開,D式可以看到，三者關(guān)系是比較復(fù)雜的，我們可以利用泰勒級來近似求解Au。V(231).X2x4x6cosX=1一+2!4!6!132x=1+xln2+2!(In2匕+3!(In2>+(2-32)考慮（231）式和（232）式的前兩項，將它們代入（230）式可得16兀2Au2Au2(in2)21LV2Au4DAu2Au2=1+VDAu2ln2(233)15通過整理可得Au2VAu4D8兀2Au2in2+Au2LD(234)從而有AuVAuD-“AuL-3、D2in2(235)此式即為佛克脫線型半高寬和多普勒線型及洛倫茲線型半高

29、寬之間的關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)此式比較簡單而且便于實際應(yīng)用215。§2.7譜線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)當(dāng)用分辨率極高的儀器觀察多重線的分支時，發(fā)現(xiàn)在很多原子光譜中，每個這樣的分支仍可分裂成許多靠得非常近的分支，這種在沒有外場作用的情況下譜線的固有細(xì)微分裂現(xiàn)象，稱為超精細(xì)結(jié)構(gòu)。引起這種現(xiàn)象的主要原因是原子核的核自旋和同位素效應(yīng)。譜線超精細(xì)結(jié)構(gòu)的存在，使得譜線的復(fù)雜性增加，譜線輪廓加寬4。§2.7.1同位素效應(yīng)同種元素的不同同位素具有不同的核質(zhì)量和核電荷體積分布，這使得同位素能產(chǎn)生波長十分接近但又有一定差別的光譜線，結(jié)果使一種元素的譜線產(chǎn)生一定的寬度，而不是無限窄的幾何線，這種現(xiàn)象稱為同位素效應(yīng)。

30、在早期處理原子結(jié)構(gòu)時，相對于電子的質(zhì)量來說，原子核的質(zhì)量被看做無窮大。實際上原子核由質(zhì)子和中子組成，他們的質(zhì)量是有限的。在精確的原子結(jié)構(gòu)計算中，原子核的有限質(zhì)量效應(yīng)可以用折合質(zhì)量的方法加以近似處理。修正的結(jié)果是使同一元素的不同同位素譜線具有略微不同的波長16。下面以類氫離子光譜線為例來進(jìn)行說明。由原子結(jié)構(gòu)理論可知，類氫離子光譜線的波數(shù)可用下式表示(2-36)23其中m、n可取某些整數(shù)；Z是核電荷數(shù)。(2-37)2兀2卩e4(4兀£j2h3co其中一%+m）是折合質(zhì)量;m是電子質(zhì)量，M是原子核質(zhì)量17。因此（2-36）式可改寫為(238)（239）M不同，從而導(dǎo)致2兀2Z屮e4(1(4

31、ks)2h3cVm2o因為，所以由（238）式可得九c2兀2Z屮e4(1(4兀£)2h31m2o由（239）式可以看出，由于不同的同位素原子核質(zhì)量折合質(zhì)量卩不同，便產(chǎn)生不同的頻率q，因此，不同的同位素就具有不同頻率的譜線。原子核不是一個質(zhì)點，它有一定的體積和電荷分布，不同質(zhì)量的同位素有不同的分布，這也使得譜線產(chǎn)生超精細(xì)結(jié)構(gòu)，這里不再詳細(xì)論述。§2.7.2原子的核自旋在很多情況下，同位素效應(yīng)并不足以說明超精細(xì)結(jié)構(gòu)，有時觀察到的超精細(xì)結(jié)構(gòu)的分項常常比同位素的數(shù)目多，甚至只有一種同位素的元素也能表現(xiàn)出超精細(xì)結(jié)構(gòu)的分裂。此外，對于同一元素，不同譜線的分支數(shù)目也不相同。上述現(xiàn)象可以從

32、核自旋及其磁矩的大小得到解釋。正如電子的自旋與軌道運動相互作用產(chǎn)生精細(xì)結(jié)構(gòu)一樣，核的自旋與電子的總角動量耦合可以產(chǎn)生超精細(xì)結(jié)構(gòu)。因為核自旋對能級的影響比電子自旋小的多，所以這種能級分裂比精細(xì)結(jié)構(gòu)情形要小得多。設(shè)核的自旋角動量為P，電子的總角動量為P，則二者耦合而成的原子IJ的總角動量P為F其中P的大小為FP=P+PFIJ(240)PF=戶也(241)F可取下列數(shù)值F=I+J,I+J-1,I-J(242)如果J>I,F有21+1個值；如果I>J,F有2J+1個值。不同F(xiàn)值的能級具有不同的能量，于是原來給定J值的能級又分裂成2I+1或2J+1個具有不同F(xiàn)值的子能級。當(dāng)然，這些子能級之間

33、的距離，比不同J值的能級之間的距離小得多，從而形成了原子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)"I。§2.8場致變寬場致變寬，包括電場效應(yīng)引起的斯塔克變寬和磁場效應(yīng)引起的塞曼變寬19。§2.8.1斯塔克變寬電場引起光譜線分裂并造成強度中心頻移的物理現(xiàn)象稱為斯塔克效應(yīng)。外電場、等離子體中的不均勻強電場以及高速運動中的高密度帶電粒子都可引起譜線的斯塔克變寬11。在外加電場作用下，譜線分裂的裂距可用下式表示Au=aE(243)e式中：E為外加平均場強；a為單位場強的裂距。譜線分裂的裂距隨電場強度的增加而增加。如果施加一個非均勻的電場，就會出現(xiàn)整個精細(xì)結(jié)構(gòu)組分，形成譜線的變寬。對于氫，斯塔克效

34、應(yīng)解除了相同n而不同l狀態(tài)間的簡并性，產(chǎn)生的一次斯塔克效應(yīng)分裂與場強成正比。在更復(fù)雜的原子中，不同l狀態(tài)間不存在簡并性，產(chǎn)生的二次斯塔克效應(yīng)分裂與場強的平方成正比。在高度電離的火花和等離子體中，斯塔克變寬是一種導(dǎo)致譜線變寬的重要原因，此時與場強平方成正比的二次斯塔克變寬是比較顯著的。輻射原子除受外電場作用產(chǎn)生譜線分裂外，由于光源中大量離子、電子或其它帶電粒子的存在而產(chǎn)生的內(nèi)部電場的作用也可導(dǎo)致譜線變寬。按照赫魯茲馬克理論，輻射原子受到的作用電場是一個按統(tǒng)計分布的不均勻電場，故譜線分裂的不是一組分立的譜線，而是具有洛倫茲型強度分布的變寬線。輻射原子所受的作用電場不同，其變寬程度有一定的差異。在電

35、場作用下，譜線的半高寬為.Au二1.25cE二3.25cn23Z(2-44)ii式中：E為離子i的電場強度；n為這些帶電離子的濃度；Z為離子電荷4。i§2.8.2塞曼變寬塞曼效應(yīng)是原子在磁場中能級和光譜發(fā)生分裂的現(xiàn)象。全面解釋塞曼效應(yīng)須用量子理論，并須考慮電子自旋。電子自旋磁矩與軌道磁矩耦合為總磁矩，它們是空間量子化的，在外磁場作用下引起的附加能量不同，造成能級分裂，從而導(dǎo)致光譜線的分裂20。下面作簡單說明。當(dāng)原子中的電子繞核運動時，就好像電荷e在線圈上運動一樣，它要產(chǎn)生一個磁矩哭4和J。若沒有外磁場存在時，原子的能量為E。當(dāng)有外磁場存在時，除E夕卜，尚有外磁場與電子磁矩的相互作用能

36、E0kehE=MB21(2-45)k4兀卩c其中M為磁量子數(shù)，R為折合質(zhì)量，c為光速，B為外磁場磁感應(yīng)強度。于是，處在外磁場作用中的原子的總能量為ehE=E+E=E+MB(2-46)0k04祁c因為M可取-1到+1之間的所有整數(shù)值，所以能級E在沒有磁場時是單一的，在磁場中則分裂為21+1個子能級，這些子能級之間的距離為呻J。所以在磁場中譜線的頻率為E一EE一EeB.、u=L=j0io+AM(247)hh4兀比在上式中E和E分別表示處在外磁場中時激發(fā)態(tài)與基態(tài)的原子能量，E及jij0E分別表示無磁場時激發(fā)態(tài)與基態(tài)的原子能量。顯然，（2-47）式可改寫為i0(2-48)u=u+AM-eB-o4兀pc

37、由于磁量子數(shù)有選擇定則：AM二0,±1，于是從（2-48）式可以看出，當(dāng)無外磁場時只出現(xiàn)u譜線，當(dāng)有外磁場時則分裂為如下三條線0eBeBu-；u；u+o4npcoo4npc由此可知，正常塞曼效應(yīng)引起的譜線半高寬為(2-49)Au亠z2兀pc當(dāng)外加磁場的場強非常弱時，所產(chǎn)生的分裂不明顯，一般只出現(xiàn)一定的變寬，在常規(guī)的光譜分析中可以忽略不計22。通過以上分析，我們知道了光譜線展寬的實質(zhì)是光的頻率發(fā)生了變化，各種新頻率光的疊加導(dǎo)致了光譜線的展寬。光譜線的展寬有多種因素：能量和時間的不確定關(guān)系可以導(dǎo)致譜線的自然展寬；光源中基本粒子的無規(guī)則運動會引起光譜線的多普勒展寬；激發(fā)態(tài)原子在運動過程中與其它種類粒子相互作用（碰撞）會引起譜線的洛倫茲展寬；激發(fā)態(tài)原子與同類基態(tài)原子碰撞或受其靜電場作用會引起赫魯茲馬克展寬（共振展寬）；光源輻射的共振線通過周圍較冷的同類原子時被部分吸收會引起自吸展寬；同位素效應(yīng)和核自旋會使譜線進(jìn)一步分裂而形成譜線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)；外電場、等離子體中