第20卷第5期2006年9月山东理工大学学报(自然科学版)
JournalofShandongUniversityofTechnology(Sci&Tech)Vol.20No.5Sep.2006
文章编号:1672-6197(2006)05-0047-04
关于正常塞曼效应现象的理论解释
刘志华1,刘瑞金2
(1.德州学院物理系,德州2.山东理工大学,摘 要:以镉为例,.利用2种方法对该现象进行了解释并讨论了这2.关键词:中图分类号:文献标识码:A
Thetheoreticalinterpretationstothenormal
zeemaneffectphenomenon
LIUZhi2hua1,LIURui2jin2
(1.DepartmentofPhysics,DezhouUniversity,Dezhou253023,China;2.SchoolofPhysics,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)
Abstract:Withcadmium(Cd)forexample,thenormalZeemaneffectphenomenonofanat2omwithspinforzeroisdescribed,andalso,theinterpretationstothenormalZeemaneffectphenomenonbytwomethodsaregiveninthispaper.Atthesametime,thedifferencesbe2tweenthetwointerpretationsarediscussed.Keywords:zeemaneffect;perturbation;spin
塞曼效应实验是物理学史上一个著名的实验.原子处在恒定外磁场中,它所产生的光谱线常常发生复杂的分裂,裂距正比于磁场强度,且谱线各分量有特殊的偏振和方向特性.这就是光谱的塞曼效应.塞曼效应的研究在历史上推动了量子理论的发展,至今它仍然是研究原子内部能级结构的重要方法之一.
电子发生跃迁前后2个原子态的总自旋都为零的谱线称为单态谱线,相应于单态谱线在外磁场中的分裂称为正常塞曼效应;相应于非单态谱
收稿日期:20060308
作者简介:刘志华(1972),男,讲师.
线在外磁场中的分裂称为反常塞曼效应.如果外磁场足够强,自旋–轨道耦合将被破坏,磁量子数mL,mS对应的简并能级将被外磁场消除,这种塞曼分裂称为帕邢–贝克效应.
本文仅就正常塞曼效应进行讨论.
1 正常塞曼效应的实验现象
以镉(Cd)643.847nm谱线为例介绍正常塞曼效应.将镉光源放入磁场中,对谱线进行测量.
48山东理工大学学报(自然科学版)2006年
当垂直磁场B方向观察时,测得3条谱线:v0-Δν,ννν,这3条谱线都是线偏振的.波数为0,0+Δν0的谱线的偏振方向平行磁场,记为π线,其波数与原谱线波数相同.
Δν的两条线的偏振方向与磁而波数为ν0±
±
ν,而场垂直,记为σ线,它们与ν0有相同的间隔Δ
在外磁场中,2个能级的能量分别为
′
E2=E2+M2g2μBB
E1=E1+M1g1μBB
′
量子跃迁的能量为
hv′=E2-E1=
(E2-E1)+(M2g2-M1g1)μBB=hv+(M2g2-M1g1)μB(2)
′
′
Δν=eB/4πmc=L(洛伦兹单位).当平行于磁场ν和ν方向观察时,只观察到波数分别为ν0+Δ0-Δν的谱线,中间那条不出现,而且这2条线都是圆ν偏振的,其中ν0+Δν所而ν0-Δ
示
.
由于不考虑自旋(),此时朗g2g1(M2-M1)μBB
(3)
ΔM=0,±1,只能有3条谱线
μ(ΔM=1)BB
(ΔM=0)(4)hv′=hv+0
(ΔM=-1)-μBB相邻2条谱线的间隔相等,用波数表示则有λ′λ
式中L=
-
=
==L2mhc4πmc
(5)
为洛仑兹单位.洛仑兹用经典理论4mc
算出了这个量,解释了正常塞曼效应.为此,他与塞曼一起分享了1902年的诺贝尔物理学奖.
下面讨论塞曼效应的偏振特性.解释谱线的偏振性的依据之一,是角动量守恒定律:在辐射过程中,原子和所发射的光子作为整体的角动量是
图1 镉(Cd)643.847nm谱线的塞曼效应
守恒的;依据之二是原子跃迁的选择定则[3].
当ΔM=M2-M1=1时,原子在磁场方向
(z)的角动量减少1个