原子能級的“分身術”

東風破

《西游記》里，孫悟空拔下幾根猴毛輕輕一吹，便接二連三地變出許多分身。事實上，這種分身的本領不僅只存在于神話故事里，微觀世界中，原子的能級也有類似的“分身術”，塞曼效應便是一個很好的佐證。

要想解釋原子能級一分為多的現象，就不得不引入量子的理論。根據玻爾理論，原子的能級是分立的，并且能量的大小與頻率息息相關。這聽起來好像與宏觀世界存在諸多矛盾，畢竟在宏觀世界中，我們很難想象會存在離散的物理量。拿生活中最常見的燒水來舉例，人在給水加熱時，水的溫度是一點點往上升高，最終達到100℃的。但你能想象，水的溫度在不經過中間變化的情況下，直接從室溫的20℃升到100℃嗎？這與我們慣常的認知顯然是矛盾的。

但是，在微觀世界里，物質偏偏要違背常理，也難怪量子力學的奠基人普朗克都一度對其持質疑態度。可是人們運用量子的理論，似乎總能稀里糊涂地走出茫茫大霧，解釋許多用經典理論無法解釋的現象。量子的理論仿佛是個無底洞，人們不知其全貌，卻止不住地被它的神秘所吸引，諸多的實驗現象也佐證了其正確性。

淺顯地了解量子的理論后，讓我們回到最初的問題上：原子能級是怎么習得分身的本領，發生塞曼效應的呢？

和孫悟空使用分身術需要拔幾根猴毛一樣，原子發生塞曼效應，能級一分為多，也需要借助輔助工具，它便是大家非常熟悉的磁場。

在沒有外加磁場的情況下，原子能級是簡并的，即處于不同狀態的原子具有相同的能量，處在相同的能級上。這很好理解，我們知道，原子能級是分立的，只能取一些特定的值，而原子的狀態可以千變萬化，自然就會有落在相同能級的可能性。對原子來說，遮風避雨的場所是有限的，大家抱團擠一擠，總比無家可歸、流落在外要好。如果只是單純地把能級作為衡量標準，那么這些處在相同能級的不同原子態是無法被區分的。這些不同的原子態就像是多胞胎兄弟，即便它們是不同的人，卻具有令人無法區分的長相。在物理學中，可以用原子光譜來反映原子能級的性質。在這種情況下，我們只能在原子光譜中得到一條相同的原子譜線。看似只有一條譜線，但若是能把它“掰開”，就會獲得不同的原子狀態，而這個“掰開”的舉措，便是由磁場完成的。磁場就像一面鐵面無私的照妖鏡，只需一照，就能從融為一體的譜線和能級中，區分出不同原子態的真面目。

那么，磁場究竟是如何大施拳腳的呢？這就離不開軌道角動量與自旋角動量的助力。外加磁場后，就像是布置好了陷阱，只待原子自投羅網。原子在磁場中顯然是坐不住的，它會迫不及待地用角動量與外磁場發生相互作用。作用的結果是角動量像被磁場下了迷魂藥一般，繞著磁場的方向旋進，原子當然會為自己的執迷不悟付出代價，伴隨著該過程，原子能級會產生附加能量。這樣一來，磁場的目的可就達到了，原本相同的能級處，有不同的原子態層層包裹，形成無堅不摧的鎧甲。同時，不同原子態紛紛在原來的基礎上，加上了不同的附加能量，仿佛成了腳步虛浮的醉漢，忘記了要與隊伍保持一致，一個個自投羅網，現了原形。原子能級也像有分身術，一下子分裂開來。

原子能級是一個抽象的概念，但我們可以通過肉眼可見的原子光譜將其展現出來。這時我們會發現，視野里原本一條平平無奇的譜線居然奇跡般地分裂成了多條譜線。而我們小時候夢寐以求的分身術，居然在原子的身上實現了。