26. Атомы во внешних магнитных полях. Снятие вырождения по mJ . Эффект Зеемана. Эффект Пашена – Бака.
Зеемана эффект - расщепление уровней энергии и спектральных линий атома и других систем в магнитном поле. Под действием магнитного поля уровни энергии расщепляются на зеемановские подуровни; при переходах между подуровнями уровней Ei и Ek вместо одной спектральной линии появляется несколько поляризованных компонент. Для одиночных спектральных линий в направлении, перпендикулярном направлению напряженности магнитного поля Н, наблюдается зеемановский триплет - несмещенная относительно первичной линии π-компонента, поляризованная в направлении Н, и две симметричные относительно нее σ-компоненты, поляризованные перпендикулярно Н (простой, или нормальный, Зеемана эффект, рис. 1).
Рис. 2. Расщепление спектральных линий при простом эффекте Зеемана: вверху-без поля; в середине - при поперечном наблюдении в магнитном поле - триплет с частотами n0-Dn, n0, n0+Dn, линии линейно поляризованы (направление указано стрелками); внизу-продольное наблюдение в магн. поле-дублет с частотами n0-Dn и n0+Dn, линии поляризованы по кругу в плоскости, перпендикулярной направлению поля.
Для дублетов и мультиплетов высших порядков наблюдается сложная картина расщепления: появляется несколько равноотстоящих друг от друга π-компонент и две симметричные относительно них группы σ-компонент (аномальный, или сложный Зеемана эффект). Величина расщепления пропорциональна Н и относительно мала (для Н~20 кЭ она порядка десятых долей ангстрема). В сильных магнитных полях (полях, вызывающих расщепление порядка мультиплетного и выше) вместо сложного Зеемана эффекта наблюдается зеемановский триплет (Пашена-Бака эффект).
Зеемана эффект обусловлен наличием у квантовой системы (например, атома) магнитного момента μ, который связан с механическим моментом М атома и может ориентироваться в пространстве лишь определенным образом. Число возможных ориентаций момента μ равно степени вырождения уровня энергии. Каждой проекции μH магнитного момента μ на направление Н, соответствует дополнительная энергия, ΔE = - μHH, что приводит к снятию вырождения, уровень расщепляется, т.к. μH принимает значение μH = - gμБm (где g - Ланде множитель; μБ- магнетон Бора; m - магнитное квантовое число), то значение ΔE = gμБHm для различных m различны. Расстояние между соседними подуровнями δ = gμБH =gΔE0, где ΔE0 = μБH - величина нормального расщепления. Если для уровней Ei и Ek расщепление одинаково (gi = gk), то наблюдается зеемановский триплет, если gi ≠ gk, - сложный Зеемана эффект.
Исследование картины зеемановского расщепления важно для изучения тонкой структуры атомов и других атомных систем. Наряду с квантовыми переходами между зеемановкими подуровнями, принадлежащими различным уровням энергии (Зеемана эффект на спектральных линях), можно наблюдать магнитные квантовые переходы между подуровнями одного уровня энергии. Такие переходы происходят под действием излучения с частотами ν=δ/h (h - постоянная Планка), лежащими, как правило, в СВЧ диапазоне электромагнитных волн. Это приводит к эффекту избирательного поглощения радиоволн в парамагнитных веществах, помещенных в магнитное поле, - к электронному парамагнитному резонансу. На основе этого эффекта созданы устройства квантовой электроники, в том числе приборы для прецизионного измерения слабых полей (квантовые магнетометры).
Зеемана эффект наблюдается в молекулярных спектрах, однако его наблюдение и расшифровка представляют большие трудности вследствие сложной картины расщепления и перекрытия в них спектральных полос. Зеемана эффект можно наблюдать в спектрах кристаллов (обычно в спектрах поглощения).
Пашена - Бака эффект
Пашена — Бака эффект, эффект, состоящий в том, что в сильных магнитных полях сложное зеемановское расщепление спектральных линий переходит в простое. Сильными следует считать магнитные поля, вызывающие зеемановское расщепление, сравнимое с мультиплетным расщеплением уровней энергии и превосходящее его. В таких полях и происходит упрощение картины расщепления — вместо сложной картины наблюдается расщепление на 3 составляющие. П. — Б. э. впервые обнаружили немецкие физики Ф. Пашен и Э. Бак (Е. Back) в 1912.