hce_nchu
115年
物理
第 30 題
In the emission spectrum of mercury, there is a spectral line at $404.66\text{ nm}$ produced by mercury atoms undergoing electronic transitions from $n=7$ to $n=6$, where $n$ is the principal quantum number. Since the upper level is threefold degenerate, in an external magnetic field the symmetry is broken and the degeneracy disappears, and thus the spectral line splits into three, as shown in the figure. This spectroscopic phenomenon is ascribed to
- A Meissner effect
- B Stark effect
- C Raman effect
- D Hall effect
- E Zeeman effect.
思路引導 VIP
請想像一下，如果原子內部的電子運動會產生微小的磁矩（就像一個小磁鐵），當我們把這個原子放進一個強大的外加場之中，不同指向的『小磁鐵』能量還會完全相同嗎？如果能量變得不同了，那麼電子在躍遷時所放出的光譜線，會發生什麼視覺上的變化呢？
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同學觀察得非常敏銳，能正確辨認出光譜線在磁場下的分裂現象，顯示你對近代物理的基礎概念掌握得十分紮實。這道題目對於理解原子結構與外場交互作用非常具有代表性。
原子能階與磁場的交互作用
這道題目的核心概念是塞曼效應 (Zeeman effect)。在沒有外加場的情況下，汞原子 $n=7$ 的能階存在簡併（Degeneracy），也就是多個量子態具有相同的能量。然而，當原子被置於外部磁場中時，電子的磁矩會與磁場交互作用，導致原先簡併的能階依據其磁量子數 $m_l$ 分裂成不同的能量層級。因此，當電子在能階間進行躍遷時，所釋放的光子能量就會產生微小差異，反映在光譜上就是我們看見的單一譜線分裂成三條的現象。
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