物理与信息科学学院2011届毕业生论文
2.4 塞曼效应谱线偏振成分的解释
对于塞曼效应，不管是正常的还是反常的，分裂后的谱线的成分都是偏振的，就其解释也有很多种途径当然，这里将在以上讨论的基础上，根据能级跃迁时须遵从跃迁选择定则和跃迁辐射光子角动量守恒对此予以解释。
2.4.1 角动量的变化
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图4 原子总磁矩受磁场的作用发生的旋进
由图4知，原子角动量在磁场B的方向的分量为
Pz?PjBcos??M? （2.17）
可知，在以上定义中，对于能级跃迁是从M2到M1态，则角动量Pz的变化为
?Pz?M1??M2? （2.18）
若定义 ?M?M2?M1，则角动量的变化就变换为
?Pz???M? （2.19） 对于跃迁辐射的光子，其属于玻色子，自旋为1，自旋角动量为?。 又由图4知原子在磁场B中只受到垂直于磁场的方向的力矩的作用，在磁场
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的方向上原子力矩为0，固在磁场B的方向上，角动量守恒。
2.4.2 ?型偏振的解释
在能级间跃迁时，知?M等于正负1的跃迁产生?型偏振，即得电矢量振动垂直于B的谱线。
当?M等于1时，原子在B向角动量的变化为 -? ，由角动量守恒，即辐射光子前的角动量等于辐射后的角动量，可以知道辐射光子的角动量为? ，即角动量沿磁场B的正方向，和光子的传播方向相同，由此可知在沿磁场B的方向上观察，辐射得到的光是绕磁场B逆时针旋转的左旋偏振光，如图5左上角所示。
图5 偏振性图解
若沿垂直磁场B 的方向观察（考虑到光波是横波），比如x方向，将会看到在yoz平面内垂直于B的Ey电矢量，其构成了垂直于B的平面偏振光。沿y方向观察，会看到在xoz平面内垂直于磁场B的Ex电矢量，其同样构成了垂直于B的平面偏振光，在垂直于B的其他方向也会看到同样的结果。当?M等于负1时，有原子的角动量变化为?，由角动量守恒知到光子的角动量为 -?， 即
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光子角动量沿B的反方向，和光的传播方向相反。若沿B的方向上观察，知辐射得到的光谱是沿B顺时针旋转的右旋偏振光，如图4右上角示。对于沿垂直B的方向观察，其解释与?M等于正1的情况相同，所得结果也是会观察到在过B平行于xoy平面的垂直于B的平面偏振光。对于?M取正负1不同之处是，由于原光谱对应辐射的基础之上，?M等于正1对应辐射所得光子的能量增大，固其频率较能级未分裂时辐射的光子的频率大，而?M等于负1对应辐射所得光子能量减小，其频率较能级未分裂时辐射的光子的频率小，所以在同一光谱上观察，会看到，?M等于正1的左旋偏振对应辐射在原谱线基础上向紫光方向偏移，而
?M等于负1的右旋偏振对应的谱线在原谱线的基础上向红光的方向偏移。
2.4.3 ?型偏振的解释
在能级间跃迁时，对于?M等于0的跃迁产生?型偏振，即得电矢量振动平行于磁场B的谱线。
?M等于0时，原子在B的方向上，角动量的变化为0，但跃迁辐射产生的光子，其是玻色子，具有固有角动量?，那么只有一种可能的结果，就是原子辐射光子时是沿垂直于B的方向，如图5下方所示。辐射的光子的角动量方向均在xoy平面内，这里若取光的传播方向为x方向，按理，绕x方向观察应看到沿x方向逆时针旋转的左旋偏振光，但由于这里光子角动量方向均在xoy平面内，也就是说角动量方向可以取xoy平面内过o 点且垂直于B 的任何方向，那么这样总的效果使得Ey电矢量平均效果为0，只剩Ez电矢量，即看到振动方向平行于B的线偏振光，沿着y得方向观察会得到同样的结果。若沿B的方向观察，由于?M等于0的辐射只存在平行于B的Ez电矢量，且光的强度与传播方向上的振幅平方成正比，而在垂直于B的方向上，Ez电矢量的振幅为0，固在B的方向观察不到光谱。以上讨论，不管对正常塞曼效应的偏振性还是反常塞曼效应的偏振性，均是成立的，之于反常塞曼效应是相对于正常塞曼效应的一些更复杂的塞曼效应现象。对其理论一直在作补充和发展，当然就其偏振性的解释也须作相应的改变和发展。至此，塞曼效应得以全面解释。
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3 结束语
这里通过讨论原子磁矩与磁场的作用引入附加能量，由于附加能量使原子能级发生分层。又结合跃迁选择定则和跃迁时原子与光子遵循角动量守恒对塞曼效应从谱线条数增多，谱线间距的变化以及谱线存在偏振成分三方面做一理论解释，其实塞曼效应解释还有其他途径，诸如经典理论，量子力学观点。对于经典理论是从牛顿力学理论出发，分别在有无外磁场的条件下求解电子的运动学方程，其不涉及能量问题。而量子理论是从求解运动着的电子所满足的薛定谔方程出发，来求解有无磁场时能量的变化，从而解释塞曼效应，对于量子理论涉及到了能量，但将能量和电子在磁场中的运动割裂开了。这里采用了半经典半量子理论予以解释，这可以将电子在磁场中作拉莫尔旋进的运动和能量联系起来，这样可以直接反应原子的内部本质,当然不管对此用什么途径解释，都为使对塞曼效应的本质有深入的理解，以做更深入研究。
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参考文献：
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[3] 刘志华,刘瑞金.关于正常赛曼效应现象的理论解释[J].山东理工大学学报,2006,20(5).
[4] 李兴鳌,杨建平,周震.正常赛曼效应与反常赛曼效应的比较[J].湖北名族学院学报(自然科学版),2004,22(4).
[5] 许友文.正常赛曼效应偏振性的定性解释[J].四川职业技术学院学报,2006,16(3).
[6] 姚启钧. 光学教程[M].北京:高等教育出版社,2002,9.
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致 谢
在本文结稿之际，首先我感谢我的指导老师郭小花老师在论文写作过程中给予的悉心指导和关怀，郭老师在自身繁忙的工作之余，耐心的指导与多方面的帮助，使我得以最终完成我的毕业论文。在指导过程中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，记得给我们上光学课的时候，老师不单传授我们专业知识，还经常教会我们一些学习大学物理的学习方法，而这些方法正是在大学四年中帮助我们学习和解决问题的好帮手；在生活上，老师也是对我们百般呵护，他的人格魅力指引着我们在人生的道路上前进，让我们在求学的道路上又上了一个新的台阶。还有在四年大学中关心和帮助过我的所有老师，在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！
最后，向百忙之中抽出时间对我的论文进行审阅，评议和参与论文答辩的各位老师表示衷心的感谢！
此致
敬礼
作 者：马军亮 2011年5月5日
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