Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции / 24 (2) Эффект Зеемана, ЭПР.ppt
Скачиваний:
23
Добавлен:
31.01.2021
Размер:
17.01 Mб
Скачать

Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

24 (2). Эффект Зеемана. Эффект Штарка. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)

Эффект Зеемана (Zeeman P.) является одним из убедительных экспериментальных доказательств

существования магнитного момента атома и правил

его квантования. Эффект Зеемана заключается в расщеплении спектральных линий источника света,

помещенного в магнитное поле. При этом в прос-

тейшем случае нормального эффекта Зеемана в

направлении, перпендикулярном магнитному полю линия расщепляется на 3 компонента: 0, 0 +∆ 0, 0 -∆ 0, а в направлении вдоль поля – на 2 компо-

нента: 0 +∆ 0, 0 -∆ 0, где

0

eB

(24.1)

4 me

 

 

Простой (нормальный) эффект Зеемана

Схематическое изображение просто- го эффекта приведено на рисунке. В

направлении вдоль магнитного поля

линия, имеющая частоту , представ- ляется в виде двух линий с круговы- ми поляризациями и с частотами

+ и - .

В направлении перпендикулярном магнитному полю, спектральная ли-

ния расщепляется на 3 компонента с

частотами + , и - . Смещение

eB

4 me

где e и me - заряд и масса электрона, В - индукция магнитного поля.

Вболее сложном аномальном эффекте Зеемана

линия расщепляется на большее число компо-

нент, причем сдвиг частоты ∆ не равен ∆ 0. Те-

ория, основанная на законах классической фи- зики (теория Лоренца) смогла объяснить только

нормальный эффект, а аномальный эффект,

встречающийся гораздо чаще, классическая фи- зика объяснить не в состоянии. Нормальный эф-

фект Зеемана наблюдается лишь на одиночных (синглетных) линиях, возникающих при перехо- дах между уровнями с суммарным спином S=0.

Во всех остальных случаях наблюдается ано-

мальный эффект.

Сложный (аномальный) эффект Зеемана

Простой эффект объяснил голландс- кий физик Хендрик Лоренц (Lorentz H.) в рамках классической электронной теории (поэтому эффект называется нормальным). Сложный эффект наб- людается гораздо чаще, но его может объяснить только квантовая теория, поэтому его назы- вают ано- мальным.

Для объяснения эффекта Зеемана воспользуем-

ся векторной моделью атома. Пусть в отсутст- вие магнитного поля атом находится в некото-

ром состоянии, которому соответствует энергия

E. Поместим его в магнитное поле. В результа- те взаимодействия магнитного момента атома с полем его энергия изменится и станет равной (см формулу (23.5) ):

E E E J B

E JB B E 0 gBM J (24.2)

где MJ, как уже указывалось, может принимать 2J+1 значений.

Таким образом, в магнитном поле каждый энерге- тический уровень Е (терм) атома расщепляется

на 2J+1 подуровней с энергиями, определяемы-

ми формулой (24.2), что и приводит к появлению новых линий в спектре. Действительно, пусть в отсутствие поля атом при переходе из состояния E2 в состояние E1 излучал линию с частотой 0:

h 0 E2 E1

В магнитном поле оба уровня расщепляются на подуровни, поэтому теперь будут излучаться частоты:

h i E2 0 g2M J 2 B E1 0 g1M J1BE2 E1 0 B g2M J 2 g1M J1

или:

i 0 0

g2M J 2 g1M J1 (24.3)

где

0

 

E2 E1

,

0

 

0 B

 

eB

 

h

4 me

 

 

 

 

 

 

h

 

Рассмотрим пример: Переход между уровнями 1S0 и 1P1 атома гелия. Оба терма имеют S=0. В

магнитном поле терм 1S0 не расщепляется, т.к. J=0, значит MJ1=0, и по формуле (24.2) ∆E=0.

Терм 1P1 расщепляется на три подуровня, т.к. J=1, и магнитное квантовое число MJ2 принима-ет

три значения: +1, 0, -1.

Подсчитаем значение множителя Ланде для сос-

тояния 1P1:

g2 1 J (J 1) S(S 1) L(L 1) 2J (J 1)

1 1 2 0 1 2 1 2 1 2

Таким образом, по формуле (24.3) получаем

i 0 0 M J 2

или 1 0 0 , 2 0 , 3 0 0

- нормальный эффект Зеемана.

Схема переходов простого

("нормального") эффекта Зеемана