Спектри багатоелектронних атомів. Ефект Зеємана

Спектр випромінювання атома дуже змінюється, якщо випромінювальний атом перебуває в магнітному полі. За відсутності магнітного поля енергія валентного електрона не залежить від його магнітного моменту, тобто визначається тільки числами n і l. Енергетичні рівні, які відповідають електронам з однаковим числом l, але різними значеннями числа m збігаються. У магнітному полі енергія електрона залежить від модуля та орієнтації магнітного моменту. Тепер енергетичні рівні, які відповідають електронам з однаковим числом l, але різними значеннями числа m, розщеплюються на стільки підрівнів, скільки значень може мати число m. Розщеплення рівнів викликає розщеплення спектральних ліній. Таке розщеплення ліній на три складові в сильному магнітному полі виявив у 1896 році голландський фізик Зеєман. Це явище названо нормальним ефектом Зеємана, який теоретично вдалося пояснити значно пізніше засобами квантової механіки.

З точки зору квантової механіки можна пояснити ефект Зеємана.

Розглянемо перехід електрона. Електрону вs- стані відповідають такі квантові числа: l = 0 і m = 0, а у р- стані – числа: l = 1, m = 0, m = +1, m = -1. На рис. 2.18 зображено енергетичні рівні електрона і спектральні лінії за відсутності магнітного поля (а) і в магнітному полі (б). У частини збуджених атомів електрони перебувають на основному рівні, в іншої частини – на одному з розщеплених підрівнів, а в решти атомів – на другому розщепленому підрівні. Коли електрони переходять з основного рівня і підрівнів на нижній рівень, випромінюються фотони з різною енергією, або частотою. Тому спектральна лінія з частотою розщеплюється на три лінії з частотамиі. Під час переходу електронаенергетичні рівні розщеплюються в магнітному полі на стільки підрівнів, скільки значень може мати числоm, яке відповідає d- і p- станам. Однак спектральних ліній все одно утворюється тільки три: з частотами і.

Для магнітного квантового числа також існує правило добору: дозволені тільки такі переходи електрона, при яких це число або не змінюється, або змінюється на одиницю:

.

У магнітному полі атом набуває додаткової енергії

.

Проекція магнітного моменту на вісь Z:

,

де – маса спокою електрона.

Тоді додаткова енергія дорівнює:

.

Рівням і, які утворюються в магнітному полі, відповідає енергія:

і ,

де і– енергії рівнів без магнітного поля ();і– магнітні квантові числа.

Частота спектральної лінії під час переходу електрона з одного стану в інший у магнітному полі визначається так:

.

Це означає, що частота лінії, яка утворюється в магнітному полі:

.

Якщо , то. Але якщо= ±1, то

.

Частота видимої частини спектра становить близько . Для магнітного поля з індукцією(1Гс (гаусс) = 10^-4 Тл) розщеплення спектральних ліній .

Енергія електрона залежить і від спінового квантового числа , тобто власного моменту імпульсу електрона.

Взаємодія орбітального магнітного моменту і власного моменту імпульсу (спіну) робить свій внесок у значення енергії електрона. Спін має дві можливі проекції на напрям орбітального моменту, тому енергія електрона залежить від напряму спіну. Розглянемо, наприклад, атом натрію (Z = 11). Десять електронів К- і L- оболонок в оптичних переходах участі не беруть, їхній спін-орбітальний момент дорівнює нулю. Одинадцятий валентний електрон у незбудженому атомі перебуває у стані 3s. Отже, його орбітальний момент дорівнює нулю, а спіновий момент має довільний напрям. Якщо атом збуджений, то валентний електрон перебуває у стані, наприклад, 3р. Проекція спіну електрона на напрям орбітального магнітного моменту може бути або. Тому енергія спін-орбітальної взаємодії буде мати два можливі значення. Відповідно, рівень 3р (а також 4р і всі наступні) розщеплюватимуться на два підрівні. У частини збуджених атомів електрони перебувають на одному з розщеплених підрівнів, у решти атомів – на другому розщепленому підрівні. Під час переходу електронів з підрівнів на нижній рівень випромінюються фотони з різною (хоча і дуже близькою) енергією, або частотою. Тоді жовта лінія натрію розщеплюється на дві лінії, відстань між якими , тобто утворюєтьсяжовтий дублет натрію.

Зауваження. Наявність спектральних дублетів була одним із фактів, які наштовхнули Гаудсміта і Уленбека на ідею про існування спіну в електрона.