Исследуемые закономерности

ЭнергияEсовокупности электронов атома принимает только дискрет- ные значения. Перечень возможных значений {E_i} называютэнергетиче-ским спектром атома, а каждое значение энергии в нем –энергетическимуровнем.

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

Е_JzBg_Bm_JB. (13.8)

В зависимости от знака квантового числаm_J

приращение энергии ΔЕможет

быть как положительным, так и отрицательным. На энергетической диаграм- ме такая особенность проявится следующим образом. Каждый энергетиче- ский уровень, соответствующий набору конкретных значенийL,SиJ ≠0, расщепляется в магнитном поле на2J+ 1 подуровень, как показано на рис.13.1.Эффектрасщепленияспектральныхлиний(энергетическихуров-

ней атома) магнитным полем (13.8) впервые был обнаружен Зееманом (1896) при исследовании спектра теплового излучения газообразных веществ.

Рисунок 13.1,аиллюстрирует расщепление магнитным полем энергети- ческого уровняJ=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 веще- ством энергии электромагнитного поля составляет основу эксперименталь- ных методов изучения структуры энергетического спектра. Атом поглощает квант энергии электромагнитного поляhν при переходе на более высокий энергетический уровень и излучает квант энергии в процессе перехода из возбужденного состояния в основное.

Излучательный переход атома с одного на другой зеемановский подуро- вень (рис. 13.1) возможен, если выполняются законы сохранения энергии и момента импульса. В квантовой механике это условие соблюдается,если

квантовые числаm_J

уровней отличаются наединицу:

m_J

1.

Последнее означает, что энергия квантов излучаемого или поглощаемо- го поля совпадает с энергетическим зазором между соседними зеемановски- ми подуровнями:

hg_BB_m_J1_m_Jg_BB^{. (13.9)}

Изолированный атом поглощает и излучает электромагнитное поле на строго фиксированной (13.9) частоте. Если совокупность атомов образует твердое тело, то поглощение электромагнитного поля происходит навсех

^{Um N}2 12 ^P

hν =gμ_BB

1

0

N₁

B0

B0

a

m_s

hν₁hν₀

hν₂

12

б

0.5

ν

Рис. 13.1. Зеемановское расщепление энергетического уровняJ= 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)

частотах, принадлежащих узкому

₀

интервалу. Такая особенность

спектра поглощения связана с тем, что при переходе к системе взаимодейст- вующих атомов энергетический уровень изолированного атома трансформи- руется в совокупность близкорасположенных подуровней (рис. 13.1,б), т. е. возникает зона разрешенных значений энергии. МощностьPпоглощения энергии электромагнитного поля твердым телом зависит от частоты ν. Гра- фик функцииP() (рис. 13.1,в) имеет вид резонансной кривой, максимум ко-

торой соответствует частоте₀

резонансного поглощения (13.9).

Индуцированный магнитным полем эффект (13.9) резонансного погло- щения веществом энергии электромагнитного поля радиодиапазона (элек-тронный парамагнитный резонанс, ЭПР)былоткрытЕ. К.Завойскимв1944г. В настоящее время электронный парамагнитный резонанс широко использу- ется для измерения индукции магнитного поля, магнитного момента и фак- тора Ланде атома.

В состав соотношения (13.9) входят индукция внешнего магнитногопо-ля и частота электромагнитного поля, поглощение которого сопровождается квантовым переходом. В процессе эксперимента каждую из этих величин можно изменять для того, чтобы обеспечить выполнение равенства (13.9). Разработаны два метода косвенного измерения энергетического зазораEмеждузеемановскимиподуровнями.Первыйоснованнаизмерениичастоты

₀резонансного поглощения при фиксированномзначениииндукции ^B

магнитного поля

Eh_0; (13.10)

второй – на измерении индукцииB₀, при которой наблюдается максимум по- глощения электромагнитного поля фиксированной частоты

Eg_BB_0. (13.11)