Ефект на Зееман

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене

Ефектът на Зееман е физическо явление, намиращо приложение в спектроскопията.

История[редактиране | редактиране на кода]

През 1896 г. Питер Зееман наблюдава разцепване на спектралните линии на поглъщане на атомите на натрия в магнитно поле[1].

Впоследствие този експериментален факт получава названието Ефект на Зееман. Той се дължи на това, че в присъствието на магнитно поле атомът придобива допълнителна енергия пропорционална на неговия магнитен момент . Придобитата енергия води до снемане на израждането на атомните състояния по магнитно квантово число и разцепване на атомните спектрални линии.

За откриването а ефекта Зееман заедно с Хендрик Лоренц са удостоени с Нобелова награда за физика през 1902 година.

Същност на ефекта[редактиране | редактиране на кода]

Класическо представяне[редактиране | редактиране на кода]

Атомът може да се разглежда като класически хармоничен осцилатор и неговото уравнение на движение в присъствието на магнитно поле , насочено по оста , има вида:

където  – скоростта на въртене на електрона около ядрото,  – масата на електрона,  – резонансна честота на електронния диполен преход. Последният член в уравнението се дължи на силата на Лоренц.

Да въведем величината Ларморова честота

Решавайки уравнението на движение се установява, че резонансната честота на диполния момент в присъствието на магнитно поле се разцепва на три честоти .

По този начин електронът, поставен в магнитно поле, вместо просто въртене около ядрото на атома, започва да извършва сложно движение около направлението на магнитното поле .

Електронният облак на атома прецесира около тази ос с Ларморова честота .

Този прост модел обяснява експериментално наблюдаваното изменение на поляризацията при флуоресценция на атомни пари в зависимост от посоката на наблюдение.

Ако се гледа по оста , то няма да има флуоресценция с честота , тъй като при тази честота атомният дипол трепти успоредно на посоката на магнитното поле, а излъчва в посока, перпендикулярна на полето. При честота се наблюдава дясно- и ляво-ориентирана поляризация, така наречените поляризации.

Ако се гледа по оста или , то се наблюдава линейна поляризация при всичките три честоти и , които се наричат съответно . Векторът на поляризация на светлината е насочен по посока на магнитното поле, а  – перпендикулярно на него.

Квантово представяне[редактиране | редактиране на кода]

Пълният хамилтониан на атома в магнитно поле има вида:

където е хамилтонианът на атома в отсъствие на пертурбация и е пертурбацията, създадена от магнитното поле

където е магнитният момент на атома, който се състои от електронна и ядрена части, но последната е с няколко порядъка по-малка и затова може да се пренебрегне. Следователно

където е магнетонът на Бор, е пълният ъглов момент на електрона, и  – фактор.

Операторът на магнитния момент на електрона е сума от орбиталния ъглов момент и спиновия ъглов момент , умножени по съответния жиромагнитен коефициент:

където или се нарича аномален жиромагнитен коефициент; отклонението от точно 2 се появява поради квантово-електродинамически ефекти. В случай на LS връзка за пресмятане на пълния магнитен момент трябва да се сумират всички електрони:

където и са пълният орбитален и спинов моменти на атома, а усредняването е по атомните състояния с определена големина на пълния ъглов момент.

Спектър за нормалния (ляво) и аномалния (дясно) случаи.

Нормален ефект на Зееман[редактиране | редактиране на кода]

Ако членът е малък (по-малък от константата на тънката структура т.е. ), той може да се разглежда като пертурбация и този случай се нарича нормален ефект на Зееман. Той се наблюдава:

  • при преходи между синглетни терми ();
  • при преходи между нива и ;
  • при преходи между нива и , когато не се разцепва, а се разцепва на три поднива.

Разцепването е свързано с чисто орбиталния или чисто спиновия магнитен момент. То се наблюдава в синглети на He и в групата на алкалноземните елементи, а също така в спектрите на Zn, Cd, Hg.

и поляризация се наблюдава при изменение на проекцията на магнитния момент на и , съответно.

Аномален ефект на Зееман[редактиране | редактиране на кода]

За всички несинглетни линии спектралните линии на атома се разцепват на значително повече от три компоненти, а големината на разцепването е кратна на нормалното разцепване . В случаи на аномален ефекта зависи по сложен начин от квантовите числа . Придобитата допълнителна енергия от електрона в магнитно поле е пропорционална на  – фактора, който се нарича фактор на Ланде (жиромагнитен множител, g-фактор) и който се определя от формулата

където L – е стойността на орбиталния момент на атома, S – стойността на спиновия момент на атома, J – пълният момент.

По този начин изроденото енергетично ниво се разцепва на равноотстоящи зееманови поднива (където  – е максиманата стойност на модула на магнитното квантово число .

Факторът на Ланде е въведен за първи път от Алфред Ланде. Експериментите на Ланде са продължение на експериментите на Зееман и затова спектрите, получени от Ланде в магнитно поле, водят до откриването на аномалния ефект на Зееман. Трябва да се отбележи, че експериментът на Зееман е проведен при , т.е. , и затова не възниква необходимост от множители.

Ефект на Зееман при снемане на спектъра на слънчево петно

Силно магнитно поле – ефект на Пашен-Бак[редактиране | редактиране на кода]

При ефекта на Пашен-Бак ( , но все още е по-малко от магнитното поле ). В свръхсилни магнитни полета превишава полето . В този случай атомът престава да съществува в обичайния смисъл.

Приложение[редактиране | редактиране на кода]

В астрофизиката ефектът на Зееман намира приложение за откриване на силни магнитни полета в слънчевите петна. Първи открива това Джордж Хейл (George Ellery Hale), а в днешно време се използва за изготвяне на магнетограми на Слънцето.

Ефектът на Зееман се прилага и в много методи за лазерно охлаждане като например магнитно-оптичен капан.

Източници[редактиране | редактиране на кода]

Криейтив Комънс - Признание - Споделяне на споделеното Лиценз за свободна документация на ГНУ Тази страница частично или изцяло представлява превод на страницата „Эффект Зеемана“ в Уикипедия на руски. Оригиналният текст, както и този превод, са защитени от Лиценза „Криейтив Комънс - Признание - Споделяне на споделеното“, а за съдържание, създадено преди юни 2009 година — от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналната страница, както и на преводната страница. Вижте източниците на оригиналната статия, състоянието ѝ при превода, и списъка на съавторите.