21 (2). Эффект Зеемана.

Эффект Зеемана (ZeemanP.) 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 простейшем случаенормального эффекта Зееманав направлении, перпендикулярном магнитному полю линия расщепляется на 3 компонента:n0,n0 +∆n0,n0 -∆n0, а в направлении вдоль поля – на 2 компонента:n0 +∆n0,n0 -∆n0, где (21.1)

В более сложном аномальном эффекте Зееманалиния расщепляется на большее число компонент, причем сдвиг частоты ∆nне равен ∆n0. Теория, основанная на законах классической физики (теория Лоренца) смогла объяснить только нормальный эффект, а аномальный эффект, встречающийся гораздо чаще, классическая физика объяснить не в состоянии. Нормальный эффект Зеемана наблюдается лишь на одиночных (синглетных) линиях, возникающих при переходах между уровнями с суммарным спиномS=0. Во всех остальных случаях наблюдается аномальный эффект.

Для объяснения эффекта Зеемана воспользуемся векторной моделью атома. Пусть в отсутствие магнитного поля атом находится в некотором состоянии, которому соответствует энергияE. Поместим его в магнитное поле. В результате взаимодействия магнитного момента атома с полем его энергия изменится и станет равной (см формулу (20.5) ):

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

Таким образом, в магнитном поле каждый энергетический уровеньЕ(терм) атома расщепляется на 2J+1 подуровней с энергиями, определяемыми формулой (21.2), что и приводит к появлению новых линий в спектре. Действительно, пусть в отсутствие поля атом при переходе из состоянияE2 в состояниеE1 излучал линию с частотойn0: В магнитном поле оба уровня расщепляются на подуровни, поэтому теперь будут излучаться частоты:

или: (21.3)

где

Рассмотрим пример: Переход между уровнями 1S0 и 1P1 атома гелия. Оба терма имеютS=0. В магнитном поле терм 1S0 не расщепляется, т.к.J=0, значитMJ1=0, и по формуле (21.2) ∆E=0. Терм 1P1 расщепляется на три подуровня, т.к.J=1, и магнитное квантовое числоMJ2 принимает три значения: +1, 0, -1.

Подсчитаем значение множителя Ланде для состояния 1P1:

Таким образом, по формуле (21.3) получаем или

- нормальный эффект Зеемана.

Теперь рассмотрим пример аномального эффекта 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.MJможет принимать 2 значения: +1/2, -1/2. Множитель Ланде для этого состояния:

Уровень 2P1/2 также расщепится на два подуровня, для него множитель Ланде:

Таким образом, в магнитном поле будут излучаться 4 линии:

Частоты этих линий по формуле (21.3) равны:

или