原子能级的“分身术”

东风破

《西游记》里，孙悟空拔下几根猴毛轻轻一吹，便接二连三地变出许多分身。事实上，这种分身的本领不仅只存在于神话故事里，微观世界中，原子的能级也有类似的“分身术”，塞曼效应便是一个很好的佐证。

要想解释原子能级一分为多的现象，就不得不引入量子的理论。根据玻尔理论，原子的能级是分立的，并且能量的大小与频率息息相关。这听起来好像与宏观世界存在诸多矛盾，毕竟在宏观世界中，我们很难想象会存在离散的物理量。拿生活中最常见的烧水来举例，人在给水加热时，水的温度是一点点往上升高，最终达到100℃的。但你能想象，水的温度在不经过中间变化的情况下，直接从室温的20℃升到100℃吗？这与我们惯常的认知显然是矛盾的。

但是，在微观世界里，物质偏偏要违背常理，也难怪量子力学的奠基人普朗克都一度对其持质疑态度。可是人们运用量子的理论，似乎总能稀里糊涂地走出茫茫大雾，解释许多用经典理论无法解释的现象。量子的理论仿佛是个无底洞，人们不知其全貌，却止不住地被它的神秘所吸引，诸多的实验现象也佐证了其正确性。

浅显地了解量子的理论后，让我们回到最初的问题上：原子能级是怎么习得分身的本领，发生塞曼效应的呢？

和孙悟空使用分身术需要拔几根猴毛一样，原子發生塞曼效应，能级一分为多，也需要借助辅助工具，它便是大家非常熟悉的磁场。

在没有外加磁场的情况下，原子能级是简并的，即处于不同状态的原子具有相同的能量，处在相同的能级上。这很好理解，我们知道，原子能级是分立的，只能取一些特定的值，而原子的状态可以千变万化，自然就会有落在相同能级的可能性。对原子来说，遮风避雨的场所是有限的，大家抱团挤一挤，总比无家可归、流落在外要好。如果只是单纯地把能级作为衡量标准，那么这些处在相同能级的不同原子态是无法被区分的。这些不同的原子态就像是多胞胎兄弟，即便它们是不同的人，却具有令人无法区分的长相。在物理学中，可以用原子光谱来反映原子能级的性质。在这种情况下，我们只能在原子光谱中得到一条相同的原子谱线。看似只有一条谱线，但若是能把它“掰开”，就会获得不同的原子状态，而这个“掰开”的举措，便是由磁场完成的。磁场就像一面铁面无私的照妖镜，只需一照，就能从融为一体的谱线和能级中，区分出不同原子态的真面目。

那么，磁场究竟是如何大施拳脚的呢？这就离不开轨道角动量与自旋角动量的助力。外加磁场后，就像是布置好了陷阱，只待原子自投罗网。原子在磁场中显然是坐不住的，它会迫不及待地用角动量与外磁场发生相互作用。作用的结果是角动量像被磁场下了迷魂药一般，绕着磁场的方向旋进，原子当然会为自己的执迷不悟付出代价，伴随着该过程，原子能级会产生附加能量。这样一来，磁场的目的可就达到了，原本相同的能级处，有不同的原子态层层包裹，形成无坚不摧的铠甲。同时，不同原子态纷纷在原来的基础上，加上了不同的附加能量，仿佛成了脚步虚浮的醉汉，忘记了要与队伍保持一致，一个个自投罗网，现了原形。原子能级也像有分身术，一下子分裂开来。

原子能级是一个抽象的概念，但我们可以通过肉眼可见的原子光谱将其展现出来。这时我们会发现，视野里原本一条平平无奇的谱线居然奇迹般地分裂成了多条谱线。而我们小时候梦寐以求的分身术，居然在原子的身上实现了。