原子物理學：第6章 第5節(jié) 塞曼效應

1、 6.5 塞曼效應（Zeeman Effect)1896年，塞曼發(fā)現(xiàn)光源在磁場中的光譜線變寬了，仔細觀察后，發(fā)現(xiàn)每一條譜線分裂成幾條。一、塞曼效應的實驗事實正常塞曼效應鎘6438.47埃紅色譜線的分裂，將鎘光源放到足夠強的磁場中。垂直于磁場方向：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。平行于磁場方向：中間的光譜消失，兩邊兩條變成圓偏振光。沿著磁場方向看，頻率高的偏振轉(zhuǎn)向逆時針旋轉(zhuǎn)，頻率低的偏振轉(zhuǎn)向相反。代表電矢量平行磁場的那條譜線，代表電矢量垂直于磁場的譜線。BB無磁場垂直于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無磁場垂直于B方向觀察平行于B方向觀察鈉黃光的塞曼效應：2P1/2,3/2 2S1/2躍遷產(chǎn)生5890埃和5896埃的兩個黃光。1896年塞曼發(fā)現(xiàn)光譜線在磁場中發(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。1897年，T. Preston發(fā)現(xiàn)，譜線的分裂可以不是三個，從而稱為“反常塞曼效應”。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1920年，索末菲將反常塞曼效應列為“原子物理懸而未決的問題”之一。原子在磁場中能量的分裂設(shè)有一個光譜是由能級E2向E1躍遷的結(jié)果，則：如果考慮能級的分裂：其中為洛倫茲單位二、

3、塞曼效應的理論解釋選擇定則（產(chǎn)生 線，當J=0時，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無磁場有磁場Cd6438的正常塞曼效應躍遷圖MMg-1-2-1-2210210-1-11010Cd6438能級躍遷：一共9種躍遷，對應3種能量差，中間譜線仍然在原來的位置，左右兩條等于一個洛倫茲單位。其中為洛倫茲單位Na黃光的塞曼效應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在外磁場中2P3/2分裂為四個塞曼能級， 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=0時，為線偏振光；當=/2，A=B時

6、,為圓偏振光。沿著 z 鈾對準光傳播方向觀察見到的電矢量作順時針轉(zhuǎn)動，稱右旋偏振，假如見到的電矢量作逆時針轉(zhuǎn)動，稱左旋偏振。三、塞曼效應的偏振特性光子角動量方向和電矢量旋轉(zhuǎn)方向組成右手螺旋定則對右旋偏振，角動量方向與傳播方向相反，對左旋偏振，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的偏振對于MM2-MI1，原子在磁場方向的角動量減少1個 ，把原子和發(fā)出的光子作為一個整體，角動量必須守恒。因此，所發(fā)光子必定在磁場方向具有角動量 ，當面對磁場方向觀察時，我們將觀察到+左旋偏振光MM2-MI1MM2-MI-1對于M=M2-M1= -1 ，原子在磁場方向的角動量增加1個 ，所發(fā)光子必定

7、在與磁場相反的方向上具有角動量 ，因此，面對磁場方向時，將觀察到-右旋偏振光。MM2-MI1MM2-MI-1對于這兩條譜線，電矢量在xy平面，因此，在與磁場B垂直的方向(例如y方向)觀察時，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。對于M=M2-M1=0的情況，原子在磁場方向的角動量不變，光子必定具有與磁場方向垂直的角動量。相應的電矢量分解為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。在與磁場方向垂直的方向上，觀測到沿磁場方向的平面偏振光。沿磁場觀察不到譜線如果磁場B加強到一定程度，破壞了L-S耦合，則一切反常塞曼效應趨于正常塞曼效應，這種現(xiàn)象稱為帕邢巴克效應。這時原子在磁場中的附加能量主要由S 和L在磁場中的能量來決定。四、帕邢巴克效應在強磁場中的附加能量的值由ML和MS的組合決定，L一定時ML有（2L+1）個可能值，MS有（2S+1）個可能值，組合結(jié)果使附加能量有若干個可能值，因此磁場中每一個能級將分裂為若