原子物理学：第6章 第5节 塞曼效应

1、 6.5 塞曼效应（Zeeman Effect)1896年，塞曼发现光源在磁场中的光谱线变宽了，仔细观察后，发现每一条谱线分裂成几条。一、塞曼效应的实验事实正常塞曼效应镉6438.47埃红色谱线的分裂，将镉光源放到足够强的磁场中。垂直于磁场方向：光谱分裂成三条，其中一条在原来的位置，左右各两条，都是平面偏振光。平行于磁场方向：中间的光谱消失，两边两条变成圆偏振光。沿着磁场方向看，频率高的偏振转向逆时针旋转，频率低的偏振转向相反。代表电矢量平行磁场的那条谱线，代表电矢量垂直于磁场的谱线。BB无磁场垂直于B方向观察平行于B方向观察横向观察，垂直于B的光的传播，看到三条偏振光；一条与B平行（）；两条

2、与B垂直（）BB无磁场垂直于B方向观察平行于B方向观察钠黄光的塞曼效应：2P1/2,3/2 2S1/2跃迁产生5890埃和5896埃的两个黄光。1896年塞曼发现光谱线在磁场中发生三分裂后，洛伦兹用经典的方法给出了理论的解释，所以又称为正常塞曼效应。1897年，T. Preston发现，谱线的分裂可以不是三个，从而称为“反常塞曼效应”。理论的解释一直等到乌伦贝克-古兹米提出电子自旋的假设才得到完整的理论解释。反常塞曼效应1920年，索末菲将反常塞曼效应列为“原子物理悬而未决的问题”之一。原子在磁场中能量的分裂设有一个光谱是由能级E2向E1跃迁的结果，则：如果考虑能级的分裂：其中为洛伦兹单位二、

3、塞曼效应的理论解释选择定则（产生 线，当J=0时，M2=0 M1=0除外）(产生线)Cd6438埃的谱线是由 之间的跃迁，g都等于1，M2=2, 1, 0, -1, -2；M1=1, 0, -1。格罗春图M2g2 2 1 0 -1 -2M1g1 1 0 -1（M2g2 - M1g1）=0 0 0-1 -1 -11 1 1 0L01D21P16438无磁场有磁场Cd6438的正常塞曼效应跃迁图MMg-1-2-1-2210210-1-11010Cd6438能级跃迁：一共9种跃迁，对应3种能量差，中间谱线仍然在原来的位置，左右两条等于一个洛伦兹单位。其中为洛伦兹单位Na黄光的塞曼效应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在外磁场中2P3/2分裂为四个塞曼能级， 间距为4 BB /3；2P1/2分裂为二，间距为 2BBo/3 ； 2S1/2分裂为二，间距为 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相应塞曼谱线的频率为波数为：洛仑兹单位：设电磁波沿 z 轴传播，电矢量必在 xy 平面（横波特性）当=0时，为线偏振光；当=/2，A=B时

6、,为圆偏振光。沿着 z 铀对准光传播方向观察见到的电矢量作顺时针转动，称右旋偏振，假如见到的电矢量作逆时针转动，称左旋偏振。三、塞曼效应的偏振特性光子角动量方向和电矢量旋转方向组成右手螺旋定则对右旋偏振，角动量方向与传播方向相反，对左旋偏振，两者相同光传播方向光传播方向光传播方向光传播方向塞曼效应的偏振对于MM2-MI1，原子在磁场方向的角动量减少1个 ，把原子和发出的光子作为一个整体，角动量必须守恒。因此，所发光子必定在磁场方向具有角动量 ，当面对磁场方向观察时，我们将观察到+左旋偏振光MM2-MI1MM2-MI-1对于M=M2-M1= -1 ，原子在磁场方向的角动量增加1个 ，所发光子必定

7、在与磁场相反的方向上具有角动量 ，因此，面对磁场方向时，将观察到-右旋偏振光。MM2-MI1MM2-MI-1对于这两条谱线，电矢量在xy平面，因此，在与磁场B垂直的方向(例如y方向)观察时，只能见到Ex分量(横波特性)，我们观察到二条与B垂直的线偏振光。对于M=M2-M1=0的情况，原子在磁场方向的角动量不变，光子必定具有与磁场方向垂直的角动量。相应的电矢量分解为z方向的Ez和xy平面内的Exy，xy平面内的电矢量因相互叠加而消失，最后仅剩下z方向的电矢量。在与磁场方向垂直的方向上，观测到沿磁场方向的平面偏振光。沿磁场观察不到谱线如果磁场B加强到一定程度，破坏了L-S耦合，则一切反常塞曼效应趋于正常塞曼效应，这种现象称为帕邢巴克效应。这时原子在磁场中的附加能量主要由S 和L在磁场中的能量来决定。四、帕邢巴克效应在强磁场中的附加能量的值由ML和MS的组合决定，L一定时ML有（2L+1）个可能值，MS有（2S+1）个可能值，组合结果使附加能量有若干个可能值，因此磁场中每一个能级将分裂为若