Отваря главното меню

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

Съдържание

ИсторияРедактиране

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 ефектаРедактиране

Класическо представянеРедактиране

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 представянеРедактиране

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 ЗееманРедактиране

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 ЗееманРедактиране

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-БакРедактиране

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.

ПриложениеРедактиране

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.

ИзточнициРедактиране

    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.