ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ

ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ, расщепление линий атомных и молекулярных спектров под действием магнитного поля. Этот эффект сыграл важную роль в развитии атомной теории. Он показал, что испускание света атомом связано с движением его электронов, а позднее дал возможность детально и с высокой точностью проверить правильность квантовой механики – основы современной атомной теории.

Одним из величайших открытий М.Фарадея (1791–1867) было то, что магнитное поле оказывает влияние на поляризацию светового пучка (так называемый эффект Фарадея). Свет представляет собой электрические и магнитные поля, распространяющиеся в пространстве в виде волн. Если электрическое поле Е колеблется в одной и той же плоскости, как показано на рис. 1, то направление распространения волны перпендикулярно направлению этих колебаний, а направление колебаний магнитного поля В перпендикулярно им обоим. Такого рода свет, испускаемый электрическим зарядом, колеблющимся по вертикали, называется плоско-поляризованным. Если же заряд, создающий излучение, движется по окружности, то электрическое поле распространяется в направлении перпендикуляра к плоскости окружности, описывая спираль, как показано на рис. 2 (аналогично ведет себя и магнитное поле, не показанное на рисунке). Свет такого рода называют светом с круговой поляризацией или циркулярно-поляризованным светом, причем свет заряда, движущегося по окружности, наблюдаемый в плоскости его движения, оказывается плоско-поляризованным. Открытие Фарадея, сделанное им в 1845 еще до того, как стала известной электромагнитная природа света, состояло в следующем: если плоско-поляризованный свет пропускать сквозь какое-либо из ряда известных прозрачных жидкостей и твердых веществ и одновременно параллельно оси пучка создавать сильное магнитное поле, то наблюдается поворот («вращение») плоскости поляризации, причем угол поворота зависит от вещества, напряженности магнитного поля и пути светового пучка в веществе.

В 1862, полагая, что магнитное поле должно влиять не только на распространение света, но и на его испускание, Фарадей исследовал спектр желтого света пламени, содержащего пары натрия, помещенного между полюсами магнита, но не обнаружил ожидаемого эффекта. Однако в 1896 голландский физик П.Зееман (1865–1943), работавший в Лейдене, повторил его попытку, применив более совершенный метод. Он обнаружил, что при наложении поля каждая из линий желтого дублета спектра натрия (так называемых D-линий) уширяется (т.е. увеличивается полоса испускаемых частот).

Нормальный эффект Зеемана

Если член взаимодействия $~V_M$ мал (меньше тонкой структуры т.е. $~V_Mll|E_i-E_k|$ ), его можно рассматривать как возмущение и этот случай называют нормальным эффектом Зеемана. Нормальный эффект Зеемана наблюдается:

при переходах между синглетными термами ( $~S=0; J=L$ );
при переходах между уровнями $~L=0$ и $~J=S$ ;
при переходах между уровнями $~J=1$ и $~J=0$ , поскольку $~J=0$ не расщепляется, а $~J=1$ расщепляется на три подуровня.

Расщепление связано с чисто орбитальным или чисто спиновым магнитным моментами. Это наблюдается в синглетах He и в группе щелочноземельных элементов, а также в спектрах Zn, Cd, Hg.

$~pi$ и $~sigma^{pm}$ поляризация наблюдаются при изменении проекции магнитного момента на $~Delta m_j=0$ и $~Delta m_j=pm1$ , соответственно.

Аномальный эффект Зеемана

Для всех несинглетных линий спектральные линии атома расщепляются на значительно большее чем три количество компонент, а величина расщепления кратна нормальному расщеплению $~nu_n$ . В случае аномального эффекта величина расщепления сложным образом зависит от квантовых чисел $~L, ~S, ~J$ . Как указано ранее, приобретенная электроном в магнитном поле дополнительная энергия $~V_M$ пропорциональна $~g$ - фактору, который называют множителем Ланде (гиромагнитный множитель, g-фактор) и который дается формулой

$g=1+frac{J(J+1)-L(L+1)+S(S+1)}{2J(J+1)}$

где L — значение орбитального момента атома, S — значение спинового момента атома, J — значение полного момента.

Впервые этот множитель ввел Ланде. Работы Ланде являлись продолжением работ Зеемана, поэтому спектры, полученные Ланде в магнитном поле, называют аномальным эффектом Зеемана. Заметим, что эксперимент Зеемана сделан при $~L=J, S=0$ , т.е. $~g=1$ , поэтому никакой надобности в множителях не возникало.

Таким образом, вырожденный энергетический уровень расщепляется на $2 J + 1$ равноотстояших зеемановских подуровня (где $J$ — максимальное значение модуля магнитного квантового числа $m l = j$ .