Зеемана ефект
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Зеемана ефект

Зеемана ефект, розщеплювання спектральних ліній під дією магнітного поля. Відкрито в 1896 П. Зееманом при дослідженні свічення пари натрію в магнітному полі. Для спостереження З. е. джерело світла, що випускає лінійчатий спектр, розташовується між полюсами потужного електромагніту ( мал. 1 ). При цьому кожна спектральна лінія розщеплюється на декілька складових. Розщеплювання вельми трохи (для магнітних полів ~ 20 ке складає декілька десятих ), тому для спостереження З. е. застосовують спектральні прилади з високою роздільною здатністю.

загрузка...

  Всі компоненти зєємановського розщеплювання поляризовані (див. Поляризація світла ). Картина розщеплювання і поляризація компонент залежать від напряму спостереження. У простому випадку в напрямі, перпендикулярному напряму магнітного поля (поперечний З. е.), виявляються ( мал. 2 ) 3 лінії: незміщена p-компонента, поляризована по напряму поля, і 2 симетрично по відношенню до неї розташовані s-компоненти, поляризовані перпендикулярно полю. При спостереженні у напрямі поля (подовжній З. е.) залишаються лише s-компоненти, поляризовані в цьому випадку по кругу.

  Перше пояснення З. е. дав Г. Лоренц в 1897. Він розглядав електрон в атомі як гармонійний осцилятор частоти випромінюючий у відсутність зовнішнього поля спектральну лінію цієї частоти. У однорідному зовнішньому магнітному полі Н рух електрона, що лінійно коливається, можна розкласти на лінійне вагання уздовж напряму поля і два кругові вагання (з протилежними напрямами обертання) в плоскості, перпендикулярній Н ( мал. 3 ). На лінійне вагання поле Н не діє, і його частота залишається рівною v 0 ; частоти кругових складових змінюються, т.к. електрон в магнітному полі отримує доповнить. обертання довкола напряму магнітного поля з частотою D v = 1 / 4 p( e/m e ) Н, де е/м е — відношення заряду електрона до його маси (див. Лармора прецессия ). Частоти цих коливань стають рівними v 1 = v 0 + D v і v 2 = v про — D v . Т. о., атом в магнітному полі випускає 3 лінії з частотами v 0 , v 1 і v 2 (зєємановський триплет). Така картина розщеплювання — простій (або нормальний) З. е. — виходить лише для одиночних спектральних ліній (див. Атомні спектри ), а також в граничному випадку дуже сильних магнітних полів (ефект Пашена — Бака). Як правило, спостерігається складніша картина: спектральна лінія розщеплюється на більше число компонент з різними значеннями D v — складний (або аномальний) З. е.; виходить спектральна група рівновіддалених p-компонент і дві симетрично від її розташовані групи рівновіддалених s-компонент.

  Повне пояснення З. е. дає квантова теорія. Квантова система, наприклад атом, володіє магнітним моментом m, який пов'язаний з механічним моментом кількості руху М-кодом і може орієнтуватися в магнітному полі лише певним чином. Число можливих орієнтацій m дорівнює мірі звиродніння рівня енергії (див. Звиродніння ), тобто числу можливих станів атома з даною енергією Е. В магнітному полі кожної орієнтації m відповідає своя додаткова енергія D Е. Це приводить до зняття звиродніння — рівень розщеплюється.

  Додаткова енергія D E пропорційна величині напруженості поля Н:

  E =-m H H ,

  де m H — проекція m на напрям поля Н . У магнітному полі m H набуває дискретних значень, рівних, — g m Би m, де g — Ланде множник, m Би — магнетон Бору, m — магнітне квантове число ( m = J; J— 1... —j, де J — квантове число, що визначає можливі значення М-код ; див.(дивися) Квантові числа ) . В результаті додаткова енергія

  D E m = -m H H = g m Б Н·m

  різна для різних магнітних квантових чисел і рівень енергії Е розщеплюється на 2 J + 1 рівновіддалених зєємановських підрівнів. Відстань між сусідніми підрівнями Em іЄ m+1 рівне:

  d = D E m+1 - D Em = g m Б Н = g D E 0

  де D Е 0 = m Би Н - величина т.з. нормального розщеплювання.

  Якщо для рівнів E 1 і E 2 , між якими відбувається квантовий перехід, g 1 = g 2 , те розщеплювання спектральної лінії в магнітному полі є зєємановський триплетом. Якщо g 1 ¹ g 2 , виходить складний З. е.

  Дослідження картини З. е. Дозволяє визначати характеристики рівнів енергії різних атомів. Поряд з квантовими переходами між зєємановськимі підрівнями різних рівнів енергії (З. е. на спектральних лініях) можна спостерігати магнітні квантові переходи між зєємановськимі підрівнями одного і того ж рівня. Такі переходи відбуваються під дією випромінювання частоти

 

  ( h — Планка постійна ) . В звичайних магнітних полях частоти таких переходів відповідають СВЧ(надвисокі частоти) -діапазону. Це приводить до виборчого поглинання радіохвиль, яке можна спостерігати в парамагнітних речовинах, поміщених в постійне магнітне поле (див. Магнітний резонанс, Квантовий підсилювач, Електронний парамагнітний резонанс ) .

  З. е. спостерігається і в молекулярних спектрах, проте розшифрувати такі спектри значно важче, ніж атомні. Крім того, спостереження З. е. у молекулярних спектрах представляє великі експериментальні труднощі із-за складності картини розщеплювання і перекриття молекулярних спектральних смуг. З. е. можна спостерігати також і в спектрах кристалів (зазвичай в спектрах поглинання).

  З. е. застосовується не лише в спектроскопії для дослідження тонкої структури речовини, але і в пристроях квантової електроніки і для виміру магнітних полів в лабораторних умовах і магнітних полів космічних об'єктів.

  Літ.: Ландсберг Р. С., Оптика, 4 видавництва, М., 1957 (Загальний курс фізики, т. 3); Ельяшевіч М. А., Атомна і молекулярна спектроскопія, М., 1962; Герцберг Р., Спектри і будова двоатомних молекул, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1949.

  М. А. Ельяшевіч.

Мал. 1. Схема спостереження ефекту Зеемана. Джерело лінійчатого спектру І розташований між полюсами електромагніту М-коду сердечник якого просвердлений для забезпечення спостереження уздовж поля. Лінзи Л, поляроїди П і пластинка в 1/4 довжини хвилі служать для визначення характеру поляризації; З — спектроскоп.

Мал. 3. Розкладання гармонійного осцилятора l на лінійні осцилятори l II — уздовж напряму поля і l ^ — перпендикулярний полю. Осцилятор l ^ розкладається на два кругах з протилежними напрямами обертання.

Мал. 2. Простий ефект Зеемана: вгорі — без поля, лінія v 0 не поляризована; в середині — при поперечному спостереженні в магнітному полі — триплет з частотами v 1 , v 0 , v 2 лінії поляризовані лінійно (напрям поляризації показаний стрілками); внизу — при подовжньому спостереженні — дублет з частотами v 1 ,v 2 , лінії поляризовані по кругу в плоскості, перпендикулярній магнітному полю; v 1 = v0 + Dv, v 2 = v 0 - Dv