【塞曼效应偏振态的偏振化规律及其应用探究6400字（论文）】

塞曼效应偏振态的偏振化规律及其应用研究摘要:塞曼效应偏振态在科学研究方面的发展,促进了原子物理学的发展.本文从阐明塞曼效应产生的来由出发,对塞曼效应形成的缘由——能级的分裂,作出了理论介绍;揭示了塞曼效应的经过和最后的谱线分裂成果.又从塞曼效应的跃迁选择定则和角动量守恒定律角度出发,对塞曼效应偏振性给出了定性解释,说明了塞曼效应偏振态的偏振化规律都遵循角动量守恒定律.最后,再把理论运用到实践,结合塞曼效应发展的过程和成果,对塞曼效应偏振态在生产和科学研究方面的应用进行一个简要探讨.关键词:塞曼效应;偏振规律;定性解释;应用目录TOC\o"1-2"\h\u319801引言 I1引言塞曼效应偏振态在科学研究方面的发展,促进了原子物理学的发展.塞曼效应反映了原子的能级构造,光谱谱线的割裂就是能态的割裂,对塞曼效应这一现象的解释,对于我们了解光谱的精细结构有非常重要的意义.塞曼效应在电子科学方面研究的应用,分析孤子解的特性,利用塞曼效应制作稳频微晶玻璃He-Ne激光器,发展出了偏振塞曼效应提高原子吸收光谱的分析法.在生产上,塞曼效应偏振态用于材料的制备,环境污染与防治,矿产资源的勘探和医学研究等.1896年,荷兰物理学家塞曼用半径为10英尺的凹面罗兰光栅观察磁场中纳米火焰的光谱.他发觉钠的D线好像变得宽了.这种现象其实就是谱线的分裂.几年之后,洛化兹对这种现象进行了解释,他使用经典电磁理论.根据他的解释,因为在空间中的磁矩方向取向是量子化的,而且电子具有轨道磁矩,这说明发生能级分裂是由于在磁场的影响结果下,谱线分裂成间隔相等的3条谱线.塞曼和洛伦兹因为这一发现共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖.1897年12月,普雷斯顿(T.Preston)的研究说,光谱线有时并非分裂成3条,间隔也不尽相同,他在不少实验中都观测到不同现象,这就是反常塞曼效应的由来,这与正常塞曼效应的征象不同.一直没有很好的理论来解释反常塞曼效应,这给大批物理学家出了难题.1925年,电子自旋假设被两名荷兰学生乌仑贝克(G.E.Uhlenbeck,1900--1974)和古兹米特(S.A.Goudsmit,1902--1978)所主张,反常塞曼效应终于得到了详细阐述.显而易见,塞曼效应的研究促进了量子理论的成长.2塞曼效应和光的偏振态1896年发现了塞曼效应,光源被放在比较强的磁场中时,光源发射的谱线就会分裂并形成很多条,分裂之后得到的都是偏振谱线.到了现在,塞曼效应更为了解原子能级构造的重要方式之一.一方面,是为了解释塞曼效应这一现象得以产生的根本缘由,另一方面同样是想通过这个现象探寻这些原子的内部构造.之后,将要阐述光的偏振态,对光进行一个基础认识,有助于对光的偏振态有一个简明的认知.2.1塞曼效应产生的原理原子轨道上的电子,由于轨道的作用,具有轨道磁矩;此外,因为电子有自旋,所以它们有自旋磁矩;和它们一起构成了原子的总磁矩.原子与,当它在磁场中时,会有一个磁场作用在原子上.这种磁矩的作用方式是磁矩围绕原子磁场的各个方向旋转(这种旋转方式称为拉莫尔进动),REF_Ref21473\w\h[1]就相当于要环着的方向旋转运动当一个原子被磁场包围时,它将产生另一种能量 , (1)而,β和α又互为补角,代入上式,得 , (2)即,是在磁场方向的分量,这个分量是量子化的,其取值为 , (3)(和在磁场中选择的取向具有量子化性质,也就是说,角度不是任意的,它具有量子化的性质)它被称为磁量子数,其值为 , (4)值的数量为.任何值都是的可能方向.把(3)式代入(2)式,就得 , (5)为玻尔磁子,.把(5)式的将附加能量的表达式改为谱项差,就有 (6),它叫做洛伦兹单位.由上文可知存在数目的值,在在恒定磁场中,通常有值(除了不能计算朗德因子G),如果不能计算朗德因子,则谱线不会分裂.也就是说,如果一次能级的能量是,那么在加入外磁场后,能量变成.存在2J+1数目的值,由此可见,存在数目的取值,光谱线从原来的那条分裂成2J+1条光线.例如,在磁场中的分裂情况和在磁场中的分裂情况(不能计算朗德因子G).在磁场中的分裂情况:由,得.所以,朗德因子,=2,1,0,-1,-2.所以.能级被划分为五个能级,两个相邻能级之间的距离为,如图1.无磁场有磁场无磁场有磁场MMg2313/200-1-3/2-2-3图1在磁场中的分裂在磁场中的分裂情况.由,得.所以,无法计算朗德系数,所以.即能级不分裂.如图2.无磁场无磁场有磁场MMg00图2在磁场中的分裂同理,也可推导其他原子态在磁场中的分裂情况,如下表1表1各原子态在磁场中的分裂情况原子态gMg无法计算0可以看出,能级分裂的能级数是,相邻能级之间的距离是.例如分裂为5层之间的距离是,分裂成4层的能级之间的距离为.2.2塞曼效应的征象塞曼效应征象是外磁场中原子所发出光谱的割裂和极化;在历史上,谱线被分成三条的现象最早被观察到并从理论上得到了解释,被称为正常塞曼效应.后来发现了一种比谱线分成三条更难解释的现象被称为异常塞曼效应.除此之外,光分量是偏振的,是割裂之后造成的,称之为塞曼效应.如图3.正常三重线正常三重线锌的单线钠主线系的双线反常花样无磁场加磁场锌第二辅线系的三重线无磁场加磁场反常花样图3钠的双线和锌的单线及三重线的塞曼效应,在垂直于磁场的方向观察到的现象.图片下面附加的线表示左右各一个洛伦兹单位的间距6438埃镉光的塞曼效应将镉置于强磁场中.它原来的谱线数将被分成三个数.当与磁场成直角时,有三条谱线,两个在左边和右边的是与成的光(称为光),分别是光和光,中央是与成或的光(称为光).在平行磁场方向观察时,就只看得见左右两端的光,光消失.如图4.无磁场无磁场在垂直于磁场方向观察沿磁场方向观察磁场指向观察者图4Cd6438埃谱线的塞曼效应5896埃和5890埃钠谱线的塞曼效应是将钠光源置于强磁场中,在垂直于磁场的方向上观察到的塞曼效应,其征象如图5.在垂直于磁场方向观察5896在垂直于磁场方向观察58965890无磁场图5Na5896埃和5890埃谱线的塞曼效应当然,在顺着磁场观察时,光消失了.根据前文所说,,能级之间的转换是(无磁场).所以,施加磁场后,能级之间的跃迁发生改变 (7) (8)等式两边同时除以,得 (9),为洛伦兹单位.塞曼效应的跃迁也有选择定则,其选择定则为.由此可知,塞曼效应与原子态密切相关.利用实验数据,我们不仅可以看到塞曼效应的客观迹象,而且可以看到原子的存在状态.例如,我们可以根据能级分裂层数和相邻能级之间的距离得到J的值,相邻能级之间间距得出的数值.因此,到目前为止,塞曼效应仍然是理解原子能级结构的重要途径.3塞曼效应偏振态的偏振化规律3.1塞曼效应谱线的偏振性一个光源被安排在较强的磁场,就会产生割裂现象,偏振谱线是在割裂征象之后体现的,这就是我们前面所说的塞曼效应.为图9所示是镉光的观察结果.XXZY逆着B观察垂直B观察ΔM=-101O图9镉光源发生的塞曼效应在o点进行观察,从垂直于方位观看,发现分裂为三条光,分别是光,光,光.其中,光的是平行于磁场方位震颤的,即//.和的震颤方位都是与磁场方向垂直的,即.光消失是在和平行的方向观察;光就改变成左旋圆偏振(按照反时针方向转动),光能够变更得到右旋圆偏振(顺时针方向转动).,产生光;,产生光,频率较高;,产生光,频率较低;光相应频率是原频率,光相应频率是,光相应频率是.根据选择定则我们可以演算而得到自旋值S,自旋值S就是电子所具有的一个内在属性,自旋角动量的方向由自旋量子数S确定,电矢量围着Z轴旋转的方向和自旋角动量在Z轴方向上的投影形成右手回旋关系.如图10ZZEE图10电矢量右手回旋关系其次,光的偏振态由光子传播的方向和它的自旋角动量一起决定.光的偏振性能够伴随着光子的传播方向和在轴这一方向的自旋角动量的角度的变更而发生变更,即角的变化和光的偏振性伴随着变化.(如图11)图11光的偏振性与α的关系它有以下5种情况:当时,观察到左旋圆偏振光;当时,会看见线偏振光(电矢量和,决定的平面成直角);当时,观察到右旋圆偏振光;当时,会看到左旋椭圆偏振光;当时,看见的是右旋椭圆偏振光(其长轴与、决定的平面成直角关系).REF_Ref21983\w\h[2]以上,自旋和光的偏振性有很大联系.3.2正常塞曼效应偏振性的定性解释3.2.1型偏振的解释当时,原子在方向(z轴正方向)的角动量减小1,按角动量守恒定律,所发光子必定具有沿方向1的角动量.若光沿传播,则与夹角为,由前述结论知,可观察到左旋圆偏振光,这就是光.若光垂直于传播,则与夹角,故观察到线偏振光,垂直于、所确定的平面,即垂直于,这就是光.当时,所发光子的角动量与反向.若光沿传播,则与夹角为,故可观察到右旋圆偏振光,这就是光.若光垂直于传播,则与夹角,故观察到线偏振光,垂直于、所确定的平面,即垂直于,这就是光.3.2.2型偏振的解释关于光的偏振性,由可知,原子的角动量在方向的不变,由于角动量守恒定律,光子所具有的自旋角动量必然是垂直的,我们就可以了解到这一光子在由X,Y而决定的空间内必然有自旋角动量,表示为,如图12ZZyx图12π的自旋角动量若在和的直角方位察看时,也就是也在XY平面中,与成恣意夹角,即取0到的任π意值.这也就是我们上一节所说的那5种观察情况,时,看的到左旋圆偏振光(也就是反时针转动);时,能看的到左旋椭圆偏振光(其长轴与,决定的平面成直角关系,即是说沿Z轴);时,可以看见线偏振光(垂直于、所确定的平面,即平行于Z轴),也即是刚才所看见的光;时,是右旋椭圆偏振光;时,是右旋圆偏振光.然而,我们在与垂直的方向看时,是看不见光有以上光的类型的,而是,仅仅看得到平行于方向的线偏振光.光在0到的光矢量平均值是我们平时所看见的,在XY平面内光的是随意转变的.椭圆振动由光表示出来,我们能够从Y轴观察到椭圆的方程式为 (半长轴,与无关) (10) (半短轴) (11)当取值为0或的时候,椭圆偏振便变成圆偏振;当取值或时,椭圆偏振就变成平行于Z轴的线偏振.和在取0到的平均值是 (12) (13)由此可见,若从Y轴方向观察(逆着Y轴方向观察),我们只能看到沿着Z轴传播的线偏振光,即平行于方向的线偏振光,也就是在垂直观察时,看到的光.若我们在平行于磁场方向(逆着的方向)观察时,也即是逆着Z轴观察时,光的传播方向和光的自旋角动量成关系(和成直角),因此,存在有于XY平面中的线偏振光,其光在X、Y轴上的分量分别为为 ; (14)和在的平均值为 (15) (16)所以,当你看着它,顺着的方向观察,光消失.这就是我们在平行的方向观察时,光消失的观察结果.总而言之,光、光和光,分别在垂直于磁场方向观察和在平行于磁场方向(逆着的方向)观察时,其偏振化规律均遵循角动量守恒定律.因此,角动量守恒可以进一步解释塞曼效应的偏振规律.4塞曼效应偏振态在科学研究和生产方面的应用塞曼效应在科学研究中有着广泛的应用,如利用塞曼效应分析孤子解的特性,制作频率稳定的玻璃陶瓷氦氖激光器等.实践创新与理论知识的完美结合,促进了塞曼效应实验仪器、矿产资源勘查、医学研究等领域的发展和完善.4.1塞曼效应偏振态在科学研究方面的应用4.1.1利用塞曼效应分析孤子解的特性.塞曼效应的能量和割裂获得的三个谱分别是在三分量，引入到非线性薛定谔方程,通过使用hiroda算法,可以得到一个孤子解和组合孤子解.最终,想要更深入理解孤子解的特征,能够利用3DMAX软件对孤子解的动态变化采取仿真实验.4.1.2利用塞曼效应制作激光器塞曼效应氦氖激光器被用于双频激光干涉仪,它主要有纵向和横向两种工作形式.塞曼效应是它工作的依据,频率拉动效应也它得以工作的基础,但这两种形式的外磁场指向是不一样的.纵向的是在He-Ne激光器中加进轴向磁场,输出光是频率有所区别的左手和右手圆偏振光.在横向中,加入与放电管轴线垂直的横向磁场,输出光一个是平行于磁场方向的正交偏振态的线偏振光,另一个是垂直于磁场方向的一个正交偏振态的线偏振光.根据塞曼效应制作的稳频激光集成系统拥有对内外部环境(包括温度、湿度、环境清洁度等)适应性强、预热时间短(在要求不是很高甚至不需要预热时间的情况下)的优点,携带方便,抗冲击和振动能力强.REF_Ref22554\w\h[7]4.2塞曼效应偏振态在生产上的应用塞曼效应极化在环境污染与防治中的应用.例如,粉煤灰是火电厂排放的主要固体废弃物,广泛应用于建材、道路建设、土壤改良、化肥生产、废水废气处理等领域,据报道,粉煤灰中的一些微量元素对农作物生长有利,但飞灰中汞含量过高将对人类健康和环境构成潜在威胁.因此,快速准确地分析粉煤灰中总汞含量对粉煤灰的综合利用具有重要意义.REF_Ref22714\w\h[8]目前,测定粉煤灰样品中汞的常用分析方法有分光光度法(UV)、原子荧光光谱法(AFS)、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)等[8-10].但这些方法的样品预处理过程复杂,分析速度慢,容易造成汞的损失或污染.为实现粉煤灰样品中汞的快速、准确分析,建立了基于固体热解高频偏振塞曼效应背景校正技术的原子吸收光谱法测定汞的方法.样品可直接用固体进样法分析,无需消解.单个样品的分析时间小于2min,背景校正是由于塞曼效应,分析结果准确可靠.本文所讨论的背景校正方法都是依据横向塞曼效应得出的.汞灯的253.65nm共振线垂直于磁场方向,由此可知,,包括π三个线偏振光.为了对,包括π按照线偏振光的吸收速度获取区别于磁场中整体强度的汞样板,我们能够借用超高分辨光谱仪,总结归纳想要完成横向塞曼效应背景改进步骤而获得的非常小的磁场整体强度;表明了当处于1.78t的磁场中时,宽带汲取气体丙酮,窄带汲取气体苯,对探测背景订正方式或许造成的阻碍(参照横向塞曼效应的大气汞);想要测量样品池中各种长度的汞蒸气,把π看成吸收光,把,看成背景光.在背景校正过程之后,吸收光程度稳定曲线的稳定值为0.99.以上说明,如果能够得到精确的背景订正结果,就需要进行横向塞曼效应的背景订正步骤并以一般的汞灯发光源做基础,空气环境质量检验中痕量汞的检测就能够用这种新方法.塞曼效应也可用于医学研究.例如测定尿中铍.这个方法操作容易、稳定性好、准确度高等特点.REF_Ref23008\w\h[9]用0.2%硝酸制备浓度为1μ克/升,2μ克/升,3μ各试验的RSD均小于5%.与当天实测值相比,损失小于5%.结果表明,样品在0.2%硝酸中至少可以稳定存放两周.适用于生物尿中铍的测定.塞曼效应偏振态还能够被用来纠正烟气复杂气体的背景.根据汞监测系统测得湿法烟气脱硫(WFGD),经过处理烟气中单质汞(Hg0)的平均质量浓度为0.36μ08g·M-3和11μ,显而易见,经过处理之后的烟气里hg0浓度上升得非常显著.说明,脱硫浆液把烟气中约99%的SO2汲取而产生大量亚硫酸盐,Hg0由亚硫酸盐与Hg2+相互作用生成;Hg2+的还原反应速度加快是由于矿浆pH值的变化,促使产生Hg0.烟气中Hg0释放含量的增加可能是因为湿法烟气脱硫体系一起除汞引起.烟气中另一些组分的含量也影响着Hg0释放含量,和之前的分析相同.以上说明,想要做到清理SO2、NOx等物质的干扰,学会依靠横向塞曼原子吸收法,我们就能够更准确的测量烟气中的汞含量.在生产中,塞曼效应还有许多其他的应用.本文不作描述.主要介绍上述四种塞曼效应偏振在生产中的应用5结论通过对塞曼效应进行理论分析,指出了塞曼效应产生的原因为能级的分裂;并且分裂之后的谱线均为偏振的,其偏振线为、和光.分别从塞曼效应的角动量守恒定律和跃迁选择定则这两个方面出发对塞曼效应偏振态的偏振化规律进行解释,指出了塞曼效应偏振态的偏振化规律都遵循角动量守恒定律.并对塞曼效应偏振态在生产和科学研究方面的发展和应