正常塞曼效應(yīng)與反常塞曼效應(yīng)的比較.doc

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1、正常塞曼效應(yīng)與反常塞曼效應(yīng)的比較在原子物理學(xué)中都論述到了正常塞曼效應(yīng)和反常塞曼效應(yīng)這兩種現(xiàn)象,但是對它們的區(qū)別與聯(lián)系卻提及不多。本文將從不同角度對正常塞曼效應(yīng)和反常塞曼效應(yīng)進(jìn)行比較,以進(jìn)一步弄清它們之間的區(qū)別和聯(lián)系。譜線的分裂來自能級差的變化。因原子具有磁矩,當(dāng)它處于磁場B中時(shí),受到磁場的作用而引起的附加能量可表示為:△E=-μJ·B=MgμBB。磁量子數(shù)M有2J+1個(gè)取值,因此無磁場時(shí)原子的一個(gè)能級在磁場的作用下分裂成2J+1個(gè)支能級,兩相鄰支能級的間距為△E=gμBB。從同一能級分裂出來的諸能級的間距是相等的,而從不同能級分裂出來的能級間距則不一定相等。若有一條光譜線是由能級E1和E2

2、(E2>E1)之間躍遷產(chǎn)生的,無磁場B時(shí),這條譜線的頻率為v=(E2-E1)/h;在外磁場B中,因能級分裂而觀察到的新光譜線與原光譜的頻率差為△v=v′-v=(M2g2-M1g1)L,其中L=eB/4πme稱為洛侖茲單位。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)塞曼支能級之間的躍遷服從下列選擇定則:△M=M2-M1=0,產(chǎn)生π線(當(dāng)△J=0時(shí),M2=0→M1=0除外)；△M=M2-M1=±1,產(chǎn)生σ線。從垂直于磁場B方向觀察,原來譜線分裂為三條,且相鄰兩條譜線之間的間隔相等,均為一個(gè)洛侖茲單位,這樣的現(xiàn)象稱為正常塞曼效應(yīng)。如果譜線中分裂條數(shù)超過三條,或者有的譜線即使只分裂成三條,但相鄰兩譜線之間的間隔不等于一個(gè)洛侖茲單位

3、,這樣的現(xiàn)象稱為反常塞曼效應(yīng)。1　從磁場相對強(qiáng)弱來比較正常塞曼效應(yīng)和反常塞曼效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明,在強(qiáng)磁場情況下一般都會出現(xiàn)正常塞曼效應(yīng),在磁場不很強(qiáng)的情況下則出現(xiàn)反常塞曼效應(yīng)。所謂磁場的強(qiáng)弱是相對的,當(dāng)外磁場引起的反常塞曼分裂不超過無外磁場時(shí)由電子自旋和軌道相互作用引起的能級分裂(精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂)時(shí),則L與S的耦合不能忽略,這時(shí)的磁場為弱磁場。若塞曼裂距遠(yuǎn)大于精細(xì)結(jié)構(gòu)裂距,則L與S的耦合就可以被忽略,這時(shí)的磁場為強(qiáng)磁場。不同原子內(nèi)部的內(nèi)磁場大小不同,所以作用在原子上的外磁場的強(qiáng)弱對不同原子是不同的。當(dāng)外加磁場的強(qiáng)度不足以破壞自旋-軌道耦合時(shí),自旋、軌道角動量分別繞合成角動量J作快速運(yùn)動,而J繞外

4、磁場作慢進(jìn)動;當(dāng)外磁場強(qiáng)度超過LS耦合作用的內(nèi)磁場時(shí),LS耦合被破壞,自旋、軌道角動量分別繞外磁場旋進(jìn),這時(shí)描述原子狀態(tài)的量子數(shù)要用n,l,s,ml,ms。原子因受外磁場作用而引起的能量變化為:△E=μJ·B=(ml+2ms)μBB,所以新的光譜線與原來譜線的頻率差為:△v=△(ml+2ms)L,由選擇定則△ml=0,±1,△ms=0,于是可得△v=(0,±1)L。可見在強(qiáng)磁場中反常塞曼效應(yīng)趨于正常塞曼效應(yīng),這現(xiàn)象被稱為帕型-巴克效應(yīng)。例如,導(dǎo)致兩條鈉D線分裂的內(nèi)磁場約為18特斯拉,而導(dǎo)致鋰光譜主線系第一譜線分裂的內(nèi)磁場只有0.35特斯拉,所以當(dāng)外磁場B=3特斯拉時(shí),對于鈉D線來說是一個(gè)弱

5、磁場,而對于鋰原子主線系第一譜線來說卻是一個(gè)強(qiáng)磁場。在這樣的磁場中鈉D線發(fā)生反常塞曼效應(yīng),鋰原子主線系第一譜線將產(chǎn)生正常塞曼效應(yīng)。2　從朗德g因子來比較正常塞曼效應(yīng)和反常塞曼效應(yīng)。下面針對兩能級朗德g因子的不同取值討論正常塞曼效應(yīng)和反常塞曼效應(yīng)。如前所述采用洛侖茲單位時(shí)在磁場中譜線的頻率改變可寫為:△v=(M2g2-M1g1)L(1)g1=g2=1時(shí).即始末二態(tài)的g都等于1,這種情況將發(fā)生正常塞曼效應(yīng).因?yàn)榇藭r(shí)△v=△ML,而由選擇定則知△M=0,±1,所以分裂的譜線只有三條,且相鄰譜線的間距相等,是正常塞曼效應(yīng)。從原子能級結(jié)構(gòu)可以這樣來理解:g=1,必是S=0,則L=J,對應(yīng)的原子外層必

6、有偶數(shù)個(gè)電子,而且自旋成對相反。S=0,2S+1=1,對應(yīng)譜項(xiàng)是單項(xiàng),所以譜線屬于單線系。故在外磁場中只分裂出三條譜線,即產(chǎn)生正常塞曼效應(yīng)。(2)g1=g2≠1時(shí),同樣也產(chǎn)生正常塞曼效應(yīng)。因?yàn)椤鱲=△MgL,△M=0,±1.所以△v只有3個(gè)值,產(chǎn)生正常塞曼效應(yīng)。(3)g1≠g2時(shí),且M1,M2所取的值各不相同,則由數(shù)學(xué)知識可知△v不只3個(gè)值,可能會更多。例2P3/2→2S1/2,△(Mg)=-4/3,-2/3,2/3,4/3有4個(gè)值,所以產(chǎn)生反常塞曼效應(yīng)。(4)g取兩個(gè)特別值時(shí),不發(fā)生塞曼效應(yīng)。①g=1+0/0,J=0,S=L就屬于這種情況.g無確定值,但J既為0,則μJ也必為0,因此△E

7、=0,這種能級不分裂,光譜項(xiàng)為單項(xiàng),如1S0②g=0.有時(shí)J不等于0,也可使g=0,如L=2,S=3/2,J=1/2的4D1/2項(xiàng)就是這種情況,因而在磁場中不發(fā)生分裂。3　從量子力學(xué)微擾論來比較正常塞曼效應(yīng)和反常塞曼效應(yīng)。就體系的哈密頓算符而言,具有磁矩的原子在外磁場強(qiáng)、弱兩種不同情況而表現(xiàn)出來的兩種不同物理現(xiàn)象,其本質(zhì)上是一樣的,都可以用量子力學(xué)的微擾理論加以解釋。原子體系在外場中的哈密頓算符為:H^=p2/2μ-Ze