4.2. Исследуемые закономерности

Энергия Eсовокупности электронов атома принимает только дискретные значения. Перечень возможных значений {E_i} называют энергетическим спектром атома, а каждое значение энергии в нем – энергетическим уровнем.

Воздействие постоянного магнитного поля, вектор индукции В которого направлен вдоль осиz, приводит к изменению энергии атома на величину, равную энергии магнитостатического взаимодействия

. (4.8)

В зависимости от знака квантового числа m_J приращение энергии ΔЕможет быть как положительным, так и отрицательным. На энергетической диаграмме такая особенность проявится следующим образом.Каждый энергетический уровень, соответствующий набору конкретных значений L, S и J ≠ 0, расщепляется в магнитном поле на (2J + 1) подуровней, как показано на рис. 4.1. Эффект расщепления спектральных линий (энергетических уровней атома) магнитным полем (4.8) впервые был обнаружен Зееманом (1896 г.) при исследовании спектра теплового излучения газообразных веществ.

Рис. 4.1, а иллюстрирует расщепление магнитным полем энергетического уровня J = S =1/2 атома натрия на два зеемановских подуровня. Квантовые переходы с поглощением и излучением кванта электромагнитного поля указаны стрелками, направленными, соответственно, вверх и вниз.

Исследование спектрального состава излучения или поглощения веществом энергии электромагнитного поля составляет основу экспериментальных методов изучения структуры энергетического спектра. Атом поглощает квант энергии электромагнитного поля hν при переходе на более высокий энергетический уровень и излучает квант энергии в процессе перехода из возбужденного состояния в основное.

Рис. 4.1. Зеемановское расщепление энергетического уровня J = 3/2 изолированного атома натрия (а), энергетические зоны для зеемановских подуровней атомов Na в твердом теле (б) и частотная зависимость интенсивности поглощения энергии электромагнитного поля твердым телом (в).

Излучательный переход атома с одного на другой зеемановский подуровень (рис. 4.1) возможен, если выполняются законы сохранения энергии и момента импульса. В квантовой механике это условие соблюдается, если квантовые числа m_J уровней отличаются на единицу: . Последнее означает, что энергия квантов излучаемого или поглощаемого поля совпадает с энергетическим зазором между соседними зеемановскими подуровнями:

. (4.9)

Изолированный атом поглощает и излучает электромагнитное поле на строго фиксированной (4.9) частоте. Если совокупность атомов образует твердое тело, то поглощение электромагнитного поля происходит на всех частотах, принадлежащих узкому Δν << ₀интервалу. Такая особенность спектра поглощения связана с тем, что при переходе к системе взаимодействующих атомов энергетический уровень изолированного атома трансформируется в совокупность близкорасположенных подуровней (рис. 4.1,б), т.е. возникает зона разрешенных значений энергии. МощностьPпоглощения энергии электромагнитного поля твердым телом зависит от частотыν. График функцииP() (рис. 4.1,в) имеет вид резонансной кривой, максимум которой соответствует частоте₀резонансного поглощения (4.9).

Индуцированный магнитным полем эффект (4.9) резонансного поглощения веществом энергии электромагнитного поля радиодиапазона (электронный парамагнитный резонанс, ЭПР) был открыт Е. К. Завойским в 1944 г. В настоящее время электронный парамагнитный резонанс широко используется для измерения индукции магнитного поля, магнитного момента и фактора Ланде атома.

В состав соотношения (4.9) входят индукция внешнего магнитного поля и частота электромагнитного поля, поглощение которого сопровождается квантовым переходом. В процессе эксперимента каждую из этих величин можно изменять для того, чтобы обеспечить выполнение равенства (4.9). Разработаны два метода косвенного измерения энергетического зазора E между зеемановскими подуровнями. Первый основан на измерении частоты ₀ резонансного поглощения при фиксированном значении индукции магнитного поля

; (4.10)

второй – на измерении индукции B₀, при которой наблюдается максимум поглощения электромагнитного поля фиксированной частоты

. (4.11)