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《正常塞曼效应与反常塞曼效应的比较.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、正常塞曼效应与反常塞曼效应的比较在原子物理学中都论述到了正常塞曼效应和反常塞曼效应这两种现象,但是对它们的区别与联系却提及不多。本文将从不同角度对正常塞曼效应和反常塞曼效应进行比较,以进一步弄清它们之间的区别和联系。谱线的分裂来自能级差的变化。因原子具有磁矩,当它处于磁场B中时,受到磁场的作用而引起的附加能量可表示为:△E=-μJ·B=MgμBB。磁量子数M有2J+1个取值,因此无磁场时原子的一个能级在磁场的作用下分裂成2J+1个支能级,两相邻支能级的间距为△E=gμBB。从同一能级分裂出来的诸能级的间距是相等的,而从不同能级分裂出来的能级间距则不一定相等。若有一条光谱线是由能级E1和E2
2、(E2>E1)之间跃迁产生的,无磁场B时,这条谱线的频率为v=(E2-E1)/h;在外磁场B中,因能级分裂而观察到的新光谱线与原光谱的频率差为△v=v′-v=(M2g2-M1g1)L,其中L=eB/4πme称为洛仑兹单位。实验发现塞曼支能级之间的跃迁服从下列选择定则:△M=M2-M1=0,产生π线(当△J=0时,M2=0→M1=0除外)；△M=M2-M1=±1,产生σ线。从垂直于磁场B方向观察,原来谱线分裂为三条,且相邻两条谱线之间的间隔相等,均为一个洛仑兹单位,这样的现象称为正常塞曼效应。如果谱线中分裂条数超过三条,或者有的谱线即使只分裂成三条,但相邻两谱线之间的间隔不等于一个洛仑兹单位
3、,这样的现象称为反常塞曼效应。1 从磁场相对强弱来比较正常塞曼效应和反常塞曼效应。实验表明,在强磁场情况下一般都会出现正常塞曼效应,在磁场不很强的情况下则出现反常塞曼效应。所谓磁场的强弱是相对的,当外磁场引起的反常塞曼分裂不超过无外磁场时由电子自旋和轨道相互作用引起的能级分裂(精细结构分裂)时,则L与S的耦合不能忽略,这时的磁场为弱磁场。若塞曼裂距远大于精细结构裂距,则L与S的耦合就可以被忽略,这时的磁场为强磁场。不同原子内部的内磁场大小不同,所以作用在原子上的外磁场的强弱对不同原子是不同的。当外加磁场的强度不足以破坏自旋-轨道耦合时,自旋、轨道角动量分别绕合成角动量J作快速运动,而J绕外
4、磁场作慢进动;当外磁场强度超过LS耦合作用的内磁场时,LS耦合被破坏,自旋、轨道角动量分别绕外磁场旋进,这时描述原子状态的量子数要用n,l,s,ml,ms。原子因受外磁场作用而引起的能量变化为:△E=μJ·B=(ml+2ms)μBB,所以新的光谱线与原来谱线的频率差为:△v=△(ml+2ms)L,由选择定则△ml=0,±1,△ms=0,于是可得△v=(0,±1)L。可见在强磁场中反常塞曼效应趋于正常塞曼效应,这现象被称为帕型-巴克效应。例如,导致两条钠D线分裂的内磁场约为18特斯拉,而导致锂光谱主线系第一谱线分裂的内磁场只有0.35特斯拉,所以当外磁场B=3特斯拉时,对于钠D线来说是一个弱
5、磁场,而对于锂原子主线系第一谱线来说却是一个强磁场。在这样的磁场中钠D线发生反常塞曼效应,锂原子主线系第一谱线将产生正常塞曼效应。2 从朗德g因子来比较正常塞曼效应和反常塞曼效应。下面针对两能级朗德g因子的不同取值讨论正常塞曼效应和反常塞曼效应。如前所述采用洛仑兹单位时在磁场中谱线的频率改变可写为:△v=(M2g2-M1g1)L(1)g1=g2=1时.即始末二态的g都等于1,这种情况将发生正常塞曼效应.因为此时△v=△ML,而由选择定则知△M=0,±1,所以分裂的谱线只有三条,且相邻谱线的间距相等,是正常塞曼效应。从原子能级结构可以这样来理解:g=1,必是S=0,则L=J,对应的原子外层必
6、有偶数个电子,而且自旋成对相反。S=0,2S+1=1,对应谱项是单项,所以谱线属于单线系。故在外磁场中只分裂出三条谱线,即产生正常塞曼效应。(2)g1=g2≠1时,同样也产生正常塞曼效应。因为△v=△MgL,△M=0,±1.所以△v只有3个值,产生正常塞曼效应。(3)g1≠g2时,且M1,M2所取的值各不相同,则由数学知识可知△v不只3个值,可能会更多。例2P3/2→2S1/2,△(Mg)=-4/3,-2/3,2/3,4/3有4个值,所以产生反常塞曼效应。(4)g取两个特别值时,不发生塞曼效应。①g=1+0/0,J=0,S=L就属于这种情况.g无确定值,但J既为0,则μJ也必为0,因此△E
7、=0,这种能级不分裂,光谱项为单项,如1S0②g=0.有时J不等于0,也可使g=0,如L=2,S=3/2,J=1/2的4D1/2项就是这种情况,因而在磁场中不发生分裂。3 从量子力学微扰论来比较正常塞曼效应和反常塞曼效应。就体系的哈密顿算符而言,具有磁矩的原子在外磁场强、弱两种不同情况而表现出来的两种不同物理现象,其本质上是一样的,都可以用量子力学的微扰理论加以解释。原子体系在外场中的哈密顿算符为:H^=p2/2μ-Ze
