塞曼效应和磁光效应的机理分析及其物理意义简析( 三 ) 作

4、塞曼效应机理分析
因为原子在外加恒定磁场的作用下，围绕原子核运动的电子的运动轨道面就会发生朝垂直于外加磁场方向平面靠近/远离的倾向，即电子的运动轨道平面趋向于向外加恒定磁场的法向平面靠拢/远离的情形，从而导致原子所产生的光或次生光的振动方向会相近而出现偏振现象了。而电子围绕原子核运动的方向有可能顺时针，也可能逆时针方向（不同运动方向的电子之运动速度会存在些许差异），还有部分电子在原有的、平行于外磁场方向平面内围绕原子核运动。它们围绕原子核的运动速度会存在一定差异，也就导致围绕原子核的运动频率也出现些许差异。因此，其产生的特征谱线就会出现分裂：原来一条特征谱线就会分裂成三条了：运动平面不变的电子、趋向/远离外加恒定磁场法向平面的顺时针与逆时针运动的电子三种不同运动状态所对应的原子核绕质心运动状态也会出现三种不同状态，从而导致当电子被剥离后原子核产生的原子特征光谱线从一条变成三条。
当原子核外部的电子数量较多时，离原子核距离不同轨道及不同轨道平面上的电子受到外加恒定磁场的影响就会存在差异（不同轨道及轨道平面上的电子在外加恒定磁场作用下改变轨道平面的程度不同，其围绕原子核的运动频率自然也会不同，原子核围绕质心运动的频率也就不同，其产生的特征谱线就会不同），从而导致特征谱线可能出现更多的分裂现象。也就是原来的一条谱线，在外加磁场的作用下可能分裂成三条以上的谱线的现象。

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如上图三所示：当绿色的电子从右上向右下围绕原子核逆时针（红色箭头所示）运动（左侧在纸面以上，右侧在纸面以下）时，则左侧受外加磁场产生的力（红色箭头所示）向纸面左下方；右侧则向纸面右上方。电子运动的轨道平面将向左旋转；而电子围绕原子核的运动方向相反（黄色箭头所示）时，电子的受力方向也相反（黄色箭头所示），电子运动的轨道平面将向右旋转。因此，当同一原子或不同原子中同时存在向不同方向运动的电子时，在同一外加恒定磁场的作用下，电子的轨道平面会朝相反的方向偏转。从而导致原来的一种电子运动轨道平面变成三种不同的轨道平面。另一方向，外加磁场施加在电子上的磁力不仅会改变其运动轨道平面，同时会改变其围绕原子核的运动速度（沿电子运动方向的磁力分量会使电子的运动速度发生变化），从而导致电子围绕原子核的运动频率发生一定的变化。也就会导致特征谱线的频率随之发生细微变化。同时，与外加磁场方向夹角不同的电子轨道平面上的电子所受到的磁力也会存在一定的变化。因此，对于原子量（电子数量）较大的元素原子而言，由于处于不同轨道平面内的电子受到外加磁场作用力的不同、转道面的改变程度也会不同，从而导致塞曼效应复杂化。
总之，塞曼效应是外加磁场改变了原子中电子运动轨道平面和围绕原子核的运动频率，从而导致原子产生的光谱发生频率和偏振方向的变化。将电子围绕原子核运动产生的磁场视为垂直于轨道平面的磁偶极子，并在外加磁场的作用下磁偶极子的方向和偶极矩将随之变化也可以解释塞曼效应。但并不能直观地描述电子在围绕原子核运动一个周期间内电子在不同位置上实际受到的外加磁场所产生的磁力的变化情况，因为电子受到磁力的大小与方向不仅与外加恒定磁场的方向与大小有关，还与电子自身的运动速度与运动方向有关。电子围绕原子核的运动速度虽然变化不大，但运动方向的不断变化也会导致受到外加恒定磁场的磁力的大小与方向不断变化。
5、法拉第磁光效应
由以上对光的本质、光与介质相互作用规律及外加磁场与光所产生的磁场与电场间的关系分析可知：外加磁场只能在入射光使介质中的原子被极化为次生光源并产生次生光期间影响原子中电子的运动状态（运动方向和运动速度），从而使原子被入射光极化的电偶极子的电偶极矩的方向与大小发生变化，进而使其产生的次生光的偏振方向、强度、相位等发生变化。而法拉第磁光效应只是外加磁场与折射光方向相同条件下的、外加磁场影响介质产生的次生折射光偏振方向的特例而已。
法拉第磁光效应的本质是光使介质中的原子极化成电偶极子并产生次生光，次生光传递到邻近原子并使其极化成电偶极子后产生次生光继续向前面邻近的原子传递，直至到达介质另一侧最边缘的原子，该原子极化形成的电偶极子产生的次生光成为所谓的透射光进入介质外部空间。在此过程中，被极化的原子中的电子因入射光或次生光而改变运动速度的同时，也会被外加磁场改变运动方向，从而导致入射的偏振光穿越介质后，其偏振方向发生一定量的改变而形成所谓的法拉第磁光效应。也就是说：法拉第磁光效应是外加磁场改变（入射或次生光使介质中的）原子极化时的方向（原子中的电子运动方向改变导致原子极化方向的改变），原子极化方向的改变自然导致其产生的次生光的偏振方向随之改变，进而导致介质中的折射偏振光和穿越介质后的透射偏振光的偏振方向发生改变。这就很明确地表明：法拉第磁光效应并不是磁场直接改变了光的偏振方向。从本效应与介质外部非介质区域光传递的距离无关就可以证明：在真空中（空气中应该可以，但效应会很弱），恒定磁场是不可能改变偏振光的偏振方向的。也就是外加磁场并不能直接改变不的偏振方向，只能通过改变原子中电子的运动方向来改变其产生的次生光的偏振方向。