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)進行比較,以進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,當它處于磁場B中時,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個取值,因此無磁場時原子的一個能級在磁場的作用下分裂成2J+1個支能級,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,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。實驗發(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△J=0時,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　從磁場相對強弱來比較正常塞曼效應(yīng)和反常塞曼效應(yīng)。實驗表明,在強磁場情況下一般都會出現(xiàn)正常塞曼效應(yīng),在磁場不很強的情況下則出現(xiàn)反常塞曼效應(yīng)。所謂磁場的強弱是相對的,當外磁場引起的反常塞曼分裂不超過無外磁場時由電子自旋和軌道相互作用引起的能級分裂(精細結(jié)構(gòu)分裂)時,則L與S的耦合不能忽略,這時的磁場為弱磁場。若塞曼裂距遠大于精細結(jié)構(gòu)裂距,則L與S的耦合就可以被忽略,這時的磁場為強磁場。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弱對不同原子是不同的。當外加磁場的強度不足以破壞自旋-軌道耦合時,自旋、軌道角動量分別繞合成角動量J作快速運動,而J繞外

4、磁場作慢進動;當外磁場強度超過LS耦合作用的內(nèi)磁場時,LS耦合被破壞,自旋、軌道角動量分別繞外磁場旋進,這時描述原子狀態(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,所以當外磁場B=3特斯拉時,對于鈉D線來說是一個弱

5、磁場,而對于鋰原子主線系第一譜線來說卻是一個強磁場。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在磁場中譜線的頻率改變可寫為:△v=(M2g2-M1g1)L(1)g1=g2=1時.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).因為此時△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)個電子,而且自旋成對相反。S=0,2S+1=1,對應(yīng)譜項是單項,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,同樣也產(chǎn)生正常塞曼效應(yīng)。因為△v=△MgL,△M=0,±1.所以△v只有3個值,產(chǎn)生正常塞曼效應(yīng)。(3)g1≠g2時,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個值,可能會更多。例2P3/2→2S1/2,△(Mg)=-4/3,-2/3,2/3,4/3有4個值,所以產(chǎn)生反常塞曼效應(yīng)。(4)g取兩個特別值時,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,光譜項為單項,如1S0②g=0.有時J不等于0,也可使g=0,如L=2,S=3/2,J=1/2的4D1/2項就是這種情況,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、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