9.5.Эффекты Зеемана и Штарка

Эффект Зеемана состоит в расщеплении спектральных линий и энерге­тических уровней во внешнем магнитном токе.

Спектральная линия с частотой расщепляется на две или три компо­ненты. Если излучение распространяется перпендикулярно к направлению напряженности магнитного поля , то линия симметрично расщепляется на три компонен­ты ,которые линейно поляризованы. У компоненты (π - компо­нента) колебания электрического вектора направлены вдоль . У компо­нент (σ — компоненты) колебания

Если излучение распространяется вдоль направления магнитного поля, то линия исчезает, а линии поляризованы по кругу с противопо­ложными направлениями вращения. Это нормальный эффект Зеемана. Расстояние между крайней и средней линиями триплета:

.

Этот эффект наблюдается в спектре щелочноземельных элементов, а также в спектрах Zn, Cd, Hg.

Нормальный эффект Зеемана был объяснен Лоренцем на основе клас­сической электронной теории. Рассмотрим атом с одним валентным электроном. В результате гармо­нических колебаний электрона атом излучает электромагнитные волны с час­тотой , равной частоте этих колебаний. При помещении этого атома в электро­магнитном поле произвольное линейно поляризованное колебание электрона может быть разложено на два колебания (рис.9.2):

- , происходящее вдоль магнитного поля;

- , происходящее в плоскости, перпендикулярной к направлению по­ля.

Колебание в свою очередь можно разложить на два колебания и_, поляризованные по кругу с противоположными направлениями вращения. Это вращение происходит с частотой прецессии Лармора:

.

Если направление кругового колебания совпадает с направлением прецессии, то частота колебаний электрона будет равна (+ ), если не совпадает, то ( – ).

Вдоль магнитного поля линейно поляризованное колебание электрона не дает излучения, т.к. линейный осциллятор не излучает вдоль своей оси. Поэтому в продольном эффекте Зеемана будут наблюдаться два колебания, поляризованные по кругу, причем частоты этих колебаний смещены относи­тельно первоначальной частоты на величину:

.

Если излучение перпендикулярно полю (поперечный эффект Зеемана), все три колебания , идают линейно поляризованные излучения с частотами ; .

С квантово -механической точки зрения эффект Зеемана объясняется наличием у электрона орбитального магнитного момента . В магнитном по­ле электрон приобретает дополнительную энергию , где – проекция магнитного момента электрона на направлениеz магнитного поля; - вектор магнитной индукции. Известно, что:

,

где m - магнитное квантовое число. Таким образом, дополнительная энергия, приобре­таемая электроном атома в магнитном поле, равна:

.

Величина является единицей для измерения расщепления энергетиче­ских уровней электронов в атомах, находящихся в магнитном поле. Она рав­на расщеплению уровня т = 1 за счет орбитального магнитного момента и называется величиной нормального расщепления.

Пусть Е₁, Е₂ – энергии электрона в состояниях 1 и 2 без магнитного поля, его магнитные квантовые числа т₁ и т₂ соответственно. Тогда при пе­реходе электрона из состояния 1 в состояние 2 в магнитном поле излучает­ся энергия частоты

.

где - частота спектральной линии в отсутствии поля. Согласно правилу отбора

, поэтому для нормального триплета Зеемана

.

Расщепление спектральных линий в электрическом поле называется эффектом Штарка. Это расщепление возникает в результате взаимодействия дипольного момента атома с внешним полем. В результате такого взаимо­действия атомы приобретают дополнительную энергию:

,

где –поляризуемость атома.