Глава 17. Вплив магнітного та електричного полів на атоми

.

17.1. Ефект Зеємана

Магнітне поле змінює структуру термів і вигляд спектра. Експериментально встановлено, що синглетні лінії в зовнішньому магнітному полі B розщеплюються на три лінії - триплет Лоренца. Величина розщеплення збільшується зі зростанням напруженості магнітного поля B. Більш складні лінії (дублети, триплети тощо) розщеплюються на більшу кількість складових. Це явище вперше спостерігалось Хендриком Антоном Лоренцом та Пітером Зеєманом, за що вони в 1902 році були удостоєні Нобелівської премії. Цей ефект отримав назву ефект Зеємана.

Рис.17.1. Схема установки для спостереження ефекту Зеємана.

Розрізняють два різновиди ефекту Зеємана: нормальний або простий і аномальний або складний ефекти. Нормальним ефектом називається розщеплення синглетних спектральних ліній атома, що знаходиться в магнітному полі, на три компоненти, а аномальним ефектом – утворення більш складної структури розщеплення ліній. Схема установки для спостереження ефекту Зеємана наведена на рис.17.1 На ньому також схематично наведені розщеплені спектральні лінії, які спостерігаються у двох напрямках розповсюдження світла: паралельно і перпендикулярно напрямкові магнітного поля. У напрямку, паралельному полю спостерігаються лише сателіти з частотами і круговою - поляризацією²⁹, а лінія з частотою (при ) відсутня. У перпендикулярному до напрямку спостерігаються три лінії: одна із частотою і лінійною - поляризацією, тобто з коливанням електричного вектора вздовж магнітного поля, та два сателіти з частотами і лінійною - поляризацією, тобто з коливанням електричного вектора в напрямку, перпендикулярному до магнітного поля (триплет Лоренца). Нормальний ефект Зеємана спостерігається лише у випадку розщеплення синглетних ліній, коли сумарний спін електронної оболонки дорівнює нулеві, наприклад, для спектральних ліній парагелію

Рис.17.2. Триплет Лоренца для нормального ефекту Зеємана.

(Частота Лармора)

(17.1)

Відомо, що у зовнішньому магнітному полі спектральні терми змінюють свою енергію на величину .

Враховуючи, що , і , одержимо

, (17.2)

де - магнітне квантове число, - магнетон Бора, - магнітна індукція, - фактор Ланде терма, який розраховується за формулою:

, (17.2а)

Терм має квантові числа , і, як показано на схематичному рис.17.2, розщеплюється на три підтерма. Терм має квантове число і не розщеплюється в магнітному полі. Величина розщеплення термів та ліній в цьому випадку буде визначатись лише розщепленням терму і тому

, (17.3)

де - частота Лармора а – фактор Ланде. Відповідні складові триплету Лоренца будуть мати частоти:

, (17.4)

де - складові дипольного моменту переходу.

17.2. Аномальний ефект Зеємана і його квантова теорія

Терми та спектральні лінії атомів, у яких сумарне спінове число , розщепляться на більшу кількість складових у слабких магнітних полях. Наприклад, дублетні лінії атомних спектрів лужних металів розщеплюються слабкими полями в напрямку, перпендикулярному до напрямку магнітного поля, на 10 складових ліній з  і  лінійно поляризованими компонентами замість 3 складових для нормального ефекту Зеємана. В напрямку паралельному магнітному полю спостерігається лише 6 складових з круговою - поляризацією. Слабким магнітним полем називається поле, яке не "розриває"³⁰ спін-орбітальний зв’язок, тому що енергія взаємодії з полем

. (17.5)

Для атомів Li, наприклад, слабкими полями називаються поля з напруженістю . Розглянемо тепер дублет і головної серії атомного спектра в слабкому магнітному полі

У зовнішньому магнітному полі з індукцією кожний енергетичний рівень валентного електрона розщепиться на підрівнів внаслідок взаємодії магнітного момента із магнітним полем:

, (17.6)

,

де

Квантові числа і фактор Ланде для цього випадку наведені в таблиці 17.1.

Таблиця17.1 Значення квантових чисел фактора Ланде та добутку

Якщо використати правила відбору для дипольних переходів

та формулу (17.6), то отримаємо складові, на які розщеплюється кожна з ліній дублета в слабкому магнітному полі (рис.17.3).

Дозволені правилами відбору переходи між цими термами дають усі лінії, що спостерігаються експериментально. Лінія розщеплюється на чотири лінії з  та  поляризаціями

Лінія дублету розщеплюється в слабкому полі на 6 ліній із різною з  та поляризацією:

У спектрах поглинання виникає ще одна 11- та лінія в радіодіапазоні частот, що відповідає енергетичному переходу

,

(див. главу 15). Схема розщеплення термів , і і спектральних ліній у слабкому полі наведена на схематичному рис.17.3. Отриманий результат свідчить, що модель кількісно пояснює аномальний ефект Зеємана, тобто вдалося створити квантову модель аномального розщеплення термів і спектральних ліній у слабкому магнітному полі

Дивись мультимедійні демонстрації: нормальний та аномальний ефект Зеємана.