Hg原子塞曼谱线的相对强度及其对称性

Hg原子塞曼谱线的相对强度及其对称性

赵朝弘

（上海复旦大学物理系200433）

摘要

在原实验测量塞曼效应实验的基础上，测量塞曼各谱线的相对强度，并验证谱线的对称性。

关键词：塞曼谱线相对强度对称性

引言

十九世纪法拉第和麦克斯韦奠定了经典电磁理论的基础。达拉第除了研究电机原理、电磁感应以及电解定律外，还研究了点、磁场对光的影响。法拉第在发现了磁场能改变偏振光的偏振面的取向之后，继而研究磁场对谱线的影响，但没成功。1896年荷兰物理学家塞曼在洛仑兹学说的影响下，使用比法拉第实验中更强的磁场，研究磁场对谱线的影响，发现钠双线D1和D2都有增宽的现象，使用罗兰光栅光谱仪器观察钠火焰发出的光谱线发现每一条变宽的D线世纪上都是几条单独的谱线组成，这一现象称为塞曼效应。这一效应有力地支持了光的电磁理论，使得我们对物质的光谱、原子和分子的结构有了更多的了解。同时有力地证明了电子自旋假设是正确的，能级的分裂是由于电子的轨道磁与自旋磁矩相互作用的结果。塞曼效应谱线分裂反映了能级分裂量子化性质，各塞曼谱线相对强度反映各自能级跃迁相对概率的大小，说明原子中价电子激发时在各塞曼子能级上的分布，这对了解外场与于阿兹相互作用具有重要意义。

正文

一、原理:

在磁场中，原子的能级发生跃迁。设原子初态为∣a〉末态为∣b〉，跃迁概率为：

dW=e2ω2/2πhc3︱﹤b︱e · r︱a>︱2dΩ

多电子原子中的能级跃迁要符合如下的像个选择定则：（1）、△J=J2–J1=0，±1，但J2与J1 不能同时等于零。

（2）、△M=M J1-M J2=0，±1。J1，J2和M J1, M J2分别为跃迁前后的总角动量量子数和次量子数。

M J1=M J2，时，谱线为π成分

根据Ornstein和Burger的谱线强度规则，有

1→1 I11=12B

I=4B（J+ M J+1）（J- M J+1）0→0 I00=16B

-1→-1 I-1-1=12B △M J=+1 时，谱线为σ+ 成分

1→2 I

12

= 12 B

I= B（J+ M J+ 1)(J+ M J+2)0→1 I

01

= 6 B

-1→0I- 10= 2 B

△M J=-1 时，谱线为σ- 成分

1→0 I10= 2 B

I= B（J- M

J + 1)(J- M

J

+ 2) 0→- 1 I0-1= 6 B

-1→- 2 I= 12 B

二、测量方法与讨论：

加入B=1.05T的磁场后，得到的塞曼分裂曲线如下：

图1：

为方便比较相对强度，取最强谱线强度为I00=100，得到各谱线的相对强度如下：

表2 ：

理论上，塞满谱线强度分布应具有对称规律性。然而从以上的曲线与测量中看出，塞曼谱线相对强度虽然大体上对称，但对称并不是严格，而是与理论值有一定的百分差。

当加上偏振片后，在同一参数设定的条件下，分别测量记录谱线的π成分和σ成分的曲线，再放在一起观察各谱线的相对强度，记录如下：

图2：

同样，取最强谱线强度为I00=100，各谱线的相对强度如下：

从图2可以看出，谱线强度的对称性好比图一好，而且相对强度的百分误差除了个别谱线误差比较大之外，大部分普遍比较小比较稳定。而且在图2中，我们看到π成分左右边还各自出现一个小峰，而且右边的峰比较明显。所以当没有加上偏振片把π成分与σ成分分开观察时，得到的图1的曲线为两个成分叠加的结

果，所以使得σ+ 成分最强谱线比σ- 成分的要高，即I

＞I12 ，使得它们不对称。

-1-2

再观察未加磁场时的塞曼曲线。此时，谱线还没有发生分裂：

图3 :

可以看到，除了主峰之外，旁边出现小峰，经分析那是Hg同位素发出的普线，加上磁场之后，同位素的普线也发生了分裂，于是出现了图2中π成分的旁边的小峰，经与σ成分的叠加使得其强度增加。但是，考虑微光计读数、平行度的调节等实验操作等误差，实验结果与理论值还是一致的。

三、实验结论

塞曼谱线强度分布具有对称性。π成分中，上、下能量级量子数M J=0之间跃迁的概率最大，谱线强度最强。随着外磁场B的增大，谱线分裂增加，但各谱线的相对强度不变。

参考资料：

⑴、近代物理实验。复旦大学物理教学实验中心编。未出版

⑵、“测定汞原子塞满谱线相对强度”。李光源淮北煤炭师范学院物理系2004年6月