Efekt Zeemana

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Efekt Zeemana [1] - rozszczepienie linii widm atomowych w polu magnetycznym . Nazwany na cześć Petera Zeemana , który odkrył ten efekt w 1896 roku .

Efekt wynika z faktu, że w obecności pola magnetycznego elektron z momentem magnetycznym zyskuje dodatkową energię Pozyskana energia prowadzi do usunięcia degeneracji stanów atomowych w całkowitej liczbie kwantowej i podział atomowych linii widmowych.

Charakter efektu

W klasycznym widoku

Wyjaśnienie efektu Zeemana w ramach fizyki klasycznej podał Hendrik Lorentz . Zgodnie z jego teorią atom jest uważany za klasyczny oscylator harmoniczny , a jego równanie ruchu w obecności pola magnetycznego skierowane wzdłuż osi Z , można rozpatrywać w postaci

gdzie - prędkość rotacji elektronu wokół jądra, - masa elektronów, Jest częstotliwością rezonansową elektronicznego przejścia dipolowego. Ostatni wyraz w równaniu wynika z siły Lorentza .

Wprowadzamy wielkość zwaną częstotliwością Larmora

Polaryzacja i widmo efektu Zeemana wykryte z różnych kierunków obserwacji: * obraz z żółtym tłem - obserwacja prowadzona jest w kierunku pola magnetycznego. W tym przypadku w widmie fluorescencyjnym par atomowych wykrywane są dwie częstotliwości o polaryzacji kołowej oraz * zdjęcie z niebieskim tłem - obserwacja prowadzona jest prostopadle do kierunku pola magnetycznego. W tym przypadku w widmie fluorescencyjnym par atomowych wykrywane są trzy częstotliwości o polaryzacji liniowej σ i π

Z rozwiązania równania ruchu wynika, że ​​częstotliwość rezonansowa momentu dipolowego w obecności pola magnetycznego jest podzielona na trzy częstotliwości , zwany lorentzowskim lub prostym trypletem Zeemana . Tak więc w polu magnetycznym, zamiast prostego obrotu wokół jądra atomu, elektron zaczyna wykonywać złożony ruch względem kierunku wybranego przez pole magnetyczne Chmura elektronów atomu precedensuje wokół tej osi z częstotliwością Larmora

Ten prosty model wyjaśnia obserwowaną eksperymentalnie zmianę polaryzacji fluorescencji par atomowych w zależności od kierunku obserwacji. Jeśli spojrzysz wzdłuż osi Z , to na częstotliwość nie zaobserwuje się fluorescencji atomowej, ponieważ dipol atomowy przy tej częstotliwości oscyluje wzdłuż osi pola magnetycznego, a jego promieniowanie rozchodzi się w kierunku prostopadłym do tej osi. Na częstotliwościach występuje polaryzacja prawo- i lewoskrętna, tzw oraz -polaryzacja.

Poprzeczny efekt Zeemana: substancja = Hg , λ = 579 nm , H ≈ 2950 oersted (wzięte z tabliczki znamionowej magnesu i może nie pokrywać się z obliczoną), parametry interferometru Fabry'ego - Perota : d = 4 mm , r = 98%

Jeśli spojrzysz wzdłuż osi X lub Y , wówczas polaryzacja liniowa (odpowiednio π i σ ) jest obserwowana na wszystkich trzech częstotliwościach oraz ... Wektor polaryzacji światła π jest skierowany wzdłuż pola magnetycznego, a σ jest prostopadłe.

Fizyka klasyczna była w stanie opisać jedynie tak zwany prosty (normalny) efekt Zeemana. Nie da się wyjaśnić złożonego (anomalnego) efektu Zeemana w ramach klasycznych koncepcji przyrody.

W reprezentacji kwantowej

Zupełny hamiltonian atomu w polu magnetycznym ma postać:

gdzie jest niezaburzonym hamiltonianem atomu, oraz - zaburzenia wywołane przez pole magnetyczne:

Tutaj - moment magnetyczny atomu, który składa się z części elektronicznych i jądrowych. Jądrowy moment magnetyczny, który jest o kilka rzędów wielkości mniejszy niż moment elektroniczny, można pominąć. Stąd,

gdzie - magneton Bohra , jest całkowitym elektronicznym momentem pędu , i -czynnik .

Operatorem momentu magnetycznego elektronu jest suma orbitalu i kręcić moment kątowy pomnożony przez odpowiednie stosunki żyromagnetyczne :

gdzie oraz ; to ostatnie nazywa się anomalnym stosunkiem żyromagnetycznym ; odchylenie od 2 pojawia się z powodu kwantowych efektów elektrodynamicznych . W przypadku sprzężenia LS wszystkie elektrony są sumowane w celu obliczenia całkowitego momentu magnetycznego:

gdzie oraz - całkowite momenty orbitalne i spinowe atomu, a uśrednianie odbywa się po stanie atomu przy danej wartości całkowitego momentu pędu.

Prosty efekt Zeemana

Prosty lub normalny efekt Zeemana to podział linii widmowych na trzy podpoziomy; można to jakościowo wyjaśnić klasycznie. Jeśli członek interakcji mały (mniej niż drobna struktura, tj. ), obserwuje się normalny efekt Zeemana:

  • na przejściach między wyrazami singletowymi ( );
  • podczas przemieszczania się między poziomami oraz ;
  • podczas przemieszczania się między poziomami oraz , o ile nie rozdziela się, ale dzieli się na trzy podpoziomy.

W polach silnych obserwuje się również podział na trzy podpoziomy, ale może to nastąpić ze względu na efekt Paschen - Buck (patrz niżej).

W normalnym efekcie Zeemana rozszczepienie jest związane z momentami magnetycznymi czysto orbitalnymi lub czysto spinowymi. Obserwuje się to w singletach He oraz w grupie pierwiastków ziem alkalicznych , a także w widmach Zn, Cd, Hg.

Polaryzacja oraz obserwuje się, gdy rzut momentu magnetycznego zmienia się na oraz , odpowiednio.

Pomimo tego, że Zeeman początkowo zaobserwował w swoich eksperymentach prosty efekt, jest on z natury stosunkowo rzadki.

Złożony efekt Zeemana

W przypadku wszystkich linii niesingletowych, linie widmowe atomu są podzielone na znacznie większą niż trzy liczbę składników, a rozszczepienie jest wielokrotnością normalnego rozszczepienia ... W przypadku efektu złożonego (lub anomalnego) wielkość rozszczepienia zależy w sposób złożony od liczb kwantowych ... Jak wskazano wcześniej, dodatkowa energia pozyskiwana przez elektron w polu magnetycznym proporcjonalny -czynnik zwanyczynnikiem Landego ( czynnik żyromagnetyczny ) i który jest podany wzorem

gdzie L jest wartością orbitalnego momentu pędu atomu, S jest wartością momentu spinowego atomu, J jest wartością całkowitego momentu pędu .

Ten czynnik został po raz pierwszy wprowadzony przez Lande . Praca Landego była kontynuacją pracy Zeemana, dlatego rozszczepienie linii w widmach uzyskanych przez Landego w polu magnetycznym nazywa się anomalnym efektem Zeemana. Zauważ, że eksperyment Zeemana został przeprowadzony w , to jest , więc nie było potrzeby stosowania mnożników.

W ten sposób zdegenerowany poziom energii dzieli się na równoodległe podpoziomy Zeemana (gdzie - maksymalna wartość modułu magnetycznej liczby kwantowej ).

Efekt Zeemana dla przejścia między dubletami S i P (na przykład przejście alfa w szeregu Lymana ). Po lewej stronie znajdują się niezakłócone poziomy. Po prawej - poziomy rozdzielają się pod wpływem pola magnetycznego. Strzałki pokazują przejścia dozwolone dipolem

efekt Paschen-Buck

Efekt Paschena-Bucka obserwuje się, gdy rozszczepienie Zeemana przewyższa rozszczepienie struktury drobnej , czyli gdy ... W takich polach zwykła interakcja spin-orbita zostaje zniszczona. W tym przypadku złożone rozszczepienie Zeemana przekształca się w rozszczepienie proste, tak że zdegenerowany poziom energii dzieli się na równoodległe podpoziomy Zeemana (gdzie - maksymalna wartość modułu magnetycznej liczby kwantowej ).

Super silne pola

W jeszcze silniejszych polach magnetycznych, przy których energia cyklotronowa elektronu (gdzie - jego częstotliwość cyklotronowa ) staje się porównywalna z energią wiązania atomu lub ją przekracza, struktura atomu ulega całkowitej zmianie. W tym przypadku poziomy są klasyfikowane zgodnie z poziomami Landaua , a interakcja kulombowska działa jako zaburzenie w stosunku do magnetycznego, dzieląc poziomy Landaua na podpoziomy. Dla atomu wodoru w stanie podstawowym taka sytuacja ma miejsce, gdy przekracza atomową jednostkę energii, czyli at T.

Historia

Założenie, że linie widmowe mogą się rozszczepiać w polu magnetycznym, po raz pierwszy wysunął Michael Faraday , który jednak nie mógł zaobserwować tego efektu ze względu na brak źródła wystarczająco silnego pola [2] . Efekt został po raz pierwszy odkryty przez Petera Zeemana w 1896 roku dla wąskiej niebiesko-zielonej linii kadmu . W swoim eksperymencie Zeeman użył pól magnetycznych o natężeniu 1-1,5 T i zaobserwował rozszczepienie linii na tryplet. Zeeman nazwał Faradaya autorem pomysłu [2] . 31 października 1897 Hendrik Lorenz dowiedział się o tych eksperymentach, który następnego dnia spotkał się z Zeemanem i udzielił mu wyjaśnień opartych na opracowanej przez niego klasycznej teorii elektronowej . Wkrótce jednak odkryto, że linie widmowe większości innych substancji rozszczepiają się w polu magnetycznym w bardziej złożony sposób. Efekt ten można było wyjaśnić dopiero w ramach fizyki kwantowej wraz z rozwojem koncepcji spinu [3] . Za odkrycie i wyjaśnienie tego efektu Zeeman i Lorentz otrzymali w 1902 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki .

Zobacz też

Notatki (edytuj)

  1. Efekt Elyashevicha M. A. Zeemana // Encyklopedia fizyczna : [w 5 tomach] / Ch. wyd. AM Prochorow . - M .: Encyklopedia radziecka, 1990. - T. 2: Współczynnik jakości - Magneto-optyka. - S. 77-78. - 704 pkt. - 100 000 egzemplarzy - ISBN 5-85270-061-4 .
  2. 1 2 Zeeman P. Wpływ magnetyzacji na naturę światła emitowanego przez substancję ( inż.) // Natura. - 1897. - t. 55 , iss. 1424 . - str . 347 . - doi : 10.1038 / 055347a0 . - Kod Bib : 1897Natur..55..347Z .
  3. Sivukhin D. V. § 92. Efekt Zeemana // Ogólny kurs fizyki. - M .: Nauka , 1980 .-- T. IV. Optyka. - S. 564 .- - 768 s.

Literatura

  • Sivukhin D.V. Fizyka atomowa i jądrowa // Ogólny kurs fizyki. - M .: Fizmatlit, 2002 .-- T. 5. - 784 s.
  • Shpolsky E.V. Fizyka atomowa (w 2 tomach). - M .: Nauka, 1984 .-- 990 s.
  • Krzysztof J. Stopa. Fizyka atomowa. - 2004 .-- ISBN 13: 9780198506966.
  • M.A.Elyashevich. Efekt Zeemana // Encyklopedia fizyczna : [w 5 tomach] / Ch. wyd. AM Prochorow . - M .: Encyklopedia radziecka (w. 1-2); Wielka Encyklopedia Rosyjska (w. 3-5), 1988-1999. - ISBN 5-85270-034-7 .

Artykuły oryginalne