6.5. Атом во внешнем магнитном поле. Эффект Зеемана.

6.5. Атом во внешнем магнитном поле. Эффект Зеемана.

В 1896 г. Питер Зееман обнаружил расщепление спектральных линий пламени щелочных металлов, когда пламя помещалось между полюсами мощного магнита.

В поперечном магнитном поле синглетные спектральные линии расщепляются на три компоненты (рис.37а,б). Средняя линия имеет исходную частоту , и плоскость поляризации, перпендикулярную направлению магнитного поля ( - компонента). Две другие линии имеют плоскость поляризации, параллельную вектору магнитной индукции, и смещены относительно исходной частоты на величину () - это - компоненты спектральных линий.

Зеемановское расщепление уровней объясняется тем, что атом, обладающий магнитным моментом , приобретает в магнитном поле дополнительную энергию

,

где - проекция магнитного момента атома на направление магнитного поля (рис.38).

Модуль полного магнитного момента атома определяется формулой ( -фактор Ланде), а проекция его на направление магнитного поля (). Значит, . Квантовое число может принимать значений. Следовательно, энергетический уровень, отвечающий определенному состоянию атома, расщепляется на равноотстоящих подуровня, причем, величина расщепления зависит от квантовых чисел , и . Таким образом, магнитное поле снимает вырождение по .

Рассмотрим спектральные линии, не имеющие тонкой структуры (синглетный спектр). Для таких переходов, соответствующих состояниям с , фактор Ланде и изменение энергии (). На рис.39а,б приведено расщепление уровней спектральных линий для переходов с на и для переходов с на . При переходах должны выполняться правила отбора , , . Компоненты, соответствующие переходам с , называются - компонентами, а - - компонентами. Такое расщепление называется нормальным эффектом Зеемана, который наблюдается только в слабых магнитных полях у веществ, имеющих синглетный спектр.

Сложный (аномальный) эффект Зеемана наблюдается у веществ с мультиплетным спектром в слабых магнитных полях. Это явление объясняется зависимостью величины расщепления уровней от множителя Ланде, который, в свою очередь, определяется спином электрона и собственным магнитным моментом электрона.

В качестве примера можно рассмотреть расщепление натриевого дублета (рис.40), обусловленного переходами и . В магнитном поле -дублет натрия расщепляется на 10 линий. Для терма (, , , значит, ) фактор Ланде . Этот уровень в магнитном поле расщепляется на два уровня с . Для (, , , значит, ) , что также приводит к расщеплению уровня энергии на два (). Уровень (, , , значит, ) с расщепляется на четыре компоненты. На рис.36 обозначены переходы, разрешенные правилами отбора.

В сильных магнитных полях у веществ, имеющих мультиплетный спектр, аномальный эффект Зеемана переходит в нормальный. Это объясняется тем, что в сильных магнитных полях энергия взаимодействия магнитного поля с собственным магнитным моментом атома становится больше энергии спин-орбитального взаимодействия. Поэтому связь и разрывается, и каждый из них самостоятельно прецессирует относительно . В этом случае нельзя говорить о полном моменте атома. Например, в Na состояния и уже не отличаются по энергии, а представляют собой два одинаковых состояния () с независимо направленным спином электрона (рис.41). Величина расщепления уровня в магнитном поле определяется по формуле

.

В результате получается нормальный зеемановский триплет. Такое явление называется эффектом Пашена-Бака.

Дата добавления: 2015-08-29