Зеемана эффект

Зеемана эффект, расщепление спектральных линий под действием магнитного поля. Открыто в 1896 П. Зееманом при исследовании свечения паров натрия в магнитном поле. Для наблюдения З. э. источник света, испускающий линейчатый спектр, располагается между полюсами мощного электромагнита (рис. 1). При этом каждая спектральная линия расщепляется на несколько составляющих. Расщепление весьма незначительно (для магнитных полей ~ 20 кэ составляет несколько десятых ), поэтому для наблюдения З. э. применяют спектральные приборы с высокой разрешающей способностью.

  Все компоненты зеемановского расщепления поляризованы (см. Поляризация света). Картина расщепления и поляризация компонент зависят от направления наблюдения. В простейшем случае в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля (поперечный З. э.), обнаруживаются (рис. 2) 3 линии: несмещенная p-компонента, поляризованная по направлению поля, и 2 симметрично по отношению к ней расположенные s-компоненты, поляризованные перпендикулярно полю. При наблюдении в направлении поля (продольный З. э.) остаются только s-компоненты, поляризованные в этом случае по кругу.

  Первое объяснение З. э. дал Г. Лоренц в 1897. Он рассматривал электрон в атоме как гармонический осциллятор частоты излучающий в отсутствие внешнего поля спектральную линию этой частоты. В однородном внешнем магнитном поле Н движение линейно колеблющегося электрона можно разложить на линейное колебание вдоль направления поля и два круговых колебания (с противоположными направлениями вращения) в плоскости, перпендикулярной Н (рис. 3). На линейное колебание поле Н не действует, и его частота остаётся равной v₀; частоты круговых составляющих изменяются, т.к. электрон в магнитном поле получает дополнит. вращение вокруг направления магнитного поля с частотой Dv = ¹/₄p(e/m_e) Н, где е/м_е — отношение заряда электрона к его массе (см. Лармора прецессия). Частоты этих колебаний становятся равными v₁ = v₀ + Dv и v₂ =v_o — Dv. Т. о., атом в магнитном поле испускает 3 линии с частотами v₀, v₁ и v₂ (зеемановский триплет). Такая картина расщепления — простой (или нормальный) З. э. — получается только для одиночных спектральных линий (см. Атомные спектры), а также в предельном случае очень сильных магнитных полей (эффект Пашена — Бака). Как правило, наблюдается более сложная картина: спектральная линия расщепляется на большее число компонент с различными значениями Dv — сложный (или аномальный) З. э.; получается спектральная группа равноотстоящих p-компонент и две симметрично от неё расположенные группы равноотстоящих s-компонент.

  Полное объяснение З. э. даёт квантовая теория. Квантовая система, например атом, обладает магнитным моментом m, который связан с механическим моментом количества движения М и может ориентироваться в магнитном поле только определённым образом. Число возможных ориентаций m равно степени вырождения уровня энергии (см. Вырождение), т. е. числу возможных состояний атома с данной энергией Е. В магнитном поле каждой ориентации m соответствует своя дополнительная энергия DЕ. Это приводит к снятию вырождения — уровень расщепляется.

  Дополнительная энергия DE пропорциональна величине напряжённости поля Н:

  E=-m_HH,

  где m_H — проекция m на направление поля Н. В магнитном поле m_H принимает дискретные значения, равные — gm_Бm, где g — Ланде множитель, m_Б — магнетон Бора, m — магнитное квантовое число (m = J; J—1,... —J, где J — квантовое число, определяющее возможные значения М; см.(смотри) Квантовые числа). В результате дополнительная энергия

  DE_m = -m_HH = gm_БН·m

  различна для различных магнитных квантовых чисел и уровень энергии Е расщепляется на 2J + 1 равноотстоящих зеемановских подуровней. Расстояние между соседними подуровнями Em иЕ_m+1 равно:

  d = DE_m+1 - DEm = gm_БН = gDE₀

  где DЕ₀ = m_БН - величина т. н. нормального расщепления.

  Если для уровней E₁ и E₂, между которыми происходит квантовый переход, g₁ = g₂, то расщепление спектральной линии в магнитном поле представляет собой зеемановский триплет. Если g₁ ¹ g₂, получается сложный З. э.

  Исследование картины З. э. Позволяет определять характеристики уровней энергии различных атомов. Наряду с квантовыми переходами между зеемановскими подуровнями различных уровней энергии (З. э. на спектральных линиях) можно наблюдать магнитные квантовые переходы между зеемановскими подуровнями одного и того же уровня. Такие переходы происходят под действием излучения частоты

  (h — Планка постоянная). В обычных магнитных полях частоты таких переходов соответствуют СВЧ(сверхвысокие частоты)-диапазону. Это приводит к избирательному поглощению радиоволн, которое можно наблюдать в парамагнитных веществах, помещенных в постоянное магнитное поле (см. Магнитный резонанс, Квантовый усилитель, Электронный парамагнитный резонанс).

  З. э. наблюдается и в молекулярных спектрах, однако расшифровать такие спектры значительно труднее, чем атомные. Кроме того, наблюдение З. э. в молекулярных спектрах представляет большие экспериментальные трудности из-за сложности картины расщепления и перекрытия молекулярных спектральных полос. З. э. можно наблюдать также и в спектрах кристаллов (обычно в спектрах поглощения).

  З. э. применяется не только в спектроскопии для исследования тонкой структуры вещества, но и в устройствах квантовой электроники и для измерения магнитных полей в лабораторных условиях и магнитных полей космических объектов.

  Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Герцберг Г., Спектры и строение двухатомных молекул, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1949.

  М. А. Ельяшевич.

Рис. 1. Схема наблюдения эффекта Зеемана. Источник линейчатого спектра И расположен между полюсами электромагнита М, сердечник которого просверлён для обеспечения наблюдения вдоль поля. Линзы Л, поляроиды П и пластинка в 1/4 длины волны служат для определения характера поляризации; С — спектроскоп.

Рис. 3. Разложение гармонического осциллятора l на линейные осцилляторы l_II — вдоль направления поля и l_^ — перпендикулярный полю. Осциллятор l_^ разлагается на два круговых с противоположными направлениями вращения.

Рис. 2. Простой эффект Зеемана: вверху — без поля, линия v₀ не поляризована; в середине — при поперечном наблюдении в магнитном поле — триплет с частотами v₁, v₀, v₂ линии поляризованы линейно (направление поляризации показано стрелками); внизу — при продольном наблюдении — дублет с частотами v₁,v₂, линии поляризованы по кругу в плоскости, перпендикулярной магнитному полю; v₁ = v0 + Dv, v₂ = v₀ - Dv