Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

21 (2). Эффект Зеемана.

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

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.

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

(21.2)

E JB B E 0 gBM J

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 (21.2), что и приводит к появлению новых линий в спектре. Действительно, пусть в отсутствие поля атом при переходе из состояния

E2 E1 0 B g2 M J 2 g1M J1

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 (21.2) ∆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:

Таким образом, по формуле (21.3) получаем

i 0 0 M J 2

или 1 0 0 , 2 0 , 3 0 0

- нормальный эффект Зеемана.

Теперь рассмотрим пример аномального эффек-

та Зеемана.

Рассмотрим переход 2P1/2 → 2S1/2 атома натрия. В магнитном поле уровень 2S1/2 (L=0, S=1/2, J=1/2) расщепляется на два подуровня, т.к. MJ может принимать 2 значения: +1/2, -1/2. Множитель Ланде для этого состояния:

Уровень 2P1/2 также расщепится на два подуров-

Таким образом, в маг- нитном поле будут из- лучаться 4 линии:

i 0

0 g2 M J 2 g1M J1

Частоты этих линий по формуле (21.3) равны: