3.2.2. Нормальний ефект Зеємана

Якщо атоми, що випромінюють світло, розмістити в магнітному полі, то спектральні лінії, які випромінюються цими атомами, розщеплюються на кілька компонент. Це явище було виявлене в 1896 р. голландським фізиком П. Зеєманом (1865 – 1943) при спостережені за світінням пари натрію і носить його ім’я.

Оскільки випромінювання спектральних ліній – це наслідок квантових переходів атомів між енергетичними рівнями, то логічним є припущення, що розщеплення спектральних ліній зумовлене розщепленням енергетичних рівнів атомів під дією зовнішнього магнітного поля. Причому таке розщеплення не важко зрозуміти, якщо врахувати те, що електрону в атомі притаманний момент імпульсу (механічний момент) і зв’язаний з ним орбітальний (азимутальний) магнітний момент :

. (3.15)

Із теорії електромагнетизму відомо, що у зовнішньому магнітному полі з напруженістю енергія будь–якого фізичного об’єкта з магнітним моментом змінюється на величину

. (3.16)

Згідно з квантовою теорією модуль вектора

, (3.17)

а його проекція на напрямок

. (3.18)

На підставі співвідношень (3.15) – (3.18) знаходимо, що у зовнішньому магнітному полі атом отримує додаткову енергію:

. (3.19)

У формулі (3.19): m₀ - маса електрона в стані спокою, m - магнітне квантове число, яке може приймати значення тобто значень; – орбітальне квантове число, яке може приймати значення: ,

(магнетон Бора).

Отже, енергетичний рівень розщеплюється на еквівалентних підрівнів, в зв’язку зчим розчеплюються і спектральні лінії.

Н

Рис. 3.5

а рис. 3.5 показано розщеплення рівнів і спектральних ліній для переходу між станами з і (для – переходу). У відсутності поля спостерігається одна лінія з частотою .

При наявності поля окрім лінії з частотою виникають дві розташовані симетрично відносно неї лінії з частотами і .

Рис. 3.6

На рис.3.6 подана аналогічна схема для – переходу. На перший погляд вбачалося б, що початкова лінія повинна в цьому випадку розщепитися на сім компонентів. Однак насправді, як і в попередньому випадку, виникає лише три компоненти: лінія з частотою і дві симетрично розташовані відносно неї лінії з частотами і . Це пояснюється тим, що для магнітного квантового числа m також є правило відбору, згідно з яким можливо лише такі переходи, за яких квантове число m або не змінюється, або змінюється на одиницю:

Отримане у розглянутих випадках зміщення компонент називають нормальним або лоренцевим. Величина нормального зміщення, очевидно, дорівнює:

. ( 3.20)

Оцінка величини розщеплення компонент у полі з напруженістю Н~А/м для видимого світла дає величину (див. [2], [8] ).

Нормальний ефект Зеємана полягає в тому, що у магнітному полі одна лінія розщеплюється на три компоненти зі зміщенням . Однак, як засвідчує досвід, таке розщеплення відбувається лише для ліній, яким не притаманна тонка структура. У ліній з тонкою структурою число компонент буває більше трьох, а величиною розщеплення являє собою раціональний дріб від нормального зміщення:

.

де r і q– невеликі цілі числа. Наприклад, розщеплення жовтого дублету натрію має вигляд, показаний на рис. 3.7. Таке розщеплення спектральних ліній називають аномальним (складним) ефектом Зеємана.

З

Рис. 3.7

теорією аномального ефекту Зеємана можна ознайомитися за

посібниками [2], [7], [8].