Эффект Зеемана
Эффект Зеемана заключается в расщеплении уровней энергии, а следовательно, и спектральных линий атома и других атомных систем в магнитном поле. Во внешнем магнитном поле атомная система, обладающая магнитным моментом m, приобретает дополнительную энергию, зависящую от проекции m на направление магнитного поля. Это приводит к расщеплению уровней энергии системы.
В 1896 г. Питер Зееман наблюдал расщепление спектра линий поглощения атомов натрия в магнитном поле. Впоследствии этот экспериментальный факт получил название Эффект Зеемана и обусловлен он тем, что в присутствии магнитного поля атом приобретает дополнительную энергию
(8.1)
пропорциональную
его магнитному моменту
.
Приобретенная энергия приводит к снятию
вырождения атомных состояний по
магнитному
квантовому числу
и
расщеплению атомных линий.
Вырождение - существование двух или более стационарных состояний квантовой системы (атома, молекулы) с одинаковыми значениями энергии.
Атом,
как известно, можно рассматривать как
классический гармонический
осциллятор и его уравнение
движения в присутствии магнитного поля
,
направленного вдоль оси Z, можно
рассматривать в виде:
(8.2)
где
- скорость вращения электрона вокруг
ядра,
- масса электрона,
-
резонансная частота электронного
дипольного перехода. Последний член в
уравнении обусловлен силой Лоренца.
Введем величину, называемую Ларморовской
частотой:
(8.3)
Рис. 13. Поляризация и спектр эффекта Зеемана
Поляризация и спектр Зееман-эффекта детектируемые в различных направлениях наблюдения (см. рис. 13) :
график с желтым фоном - наблюдение ведется в направлении магнитного поля. В этом случае в спектре флуоресценции атомного пара детектируется две частоты c круговой поляризацией σ + и σ − ;
график с синим фоном - наблюдение ведется перепендикулярно направлению магнитного поля. В этом случае детектируется три частоты в спектре флуоресценции атомного пара, имеющие линейную поляризацию σ и π.
Решая уравнение движения, легко обнаружим, что резонансная частота дипольного момента в присутствии магнитного поля расщепляется на три частоты:
(8.4)
Таким
образом, в магнитном поле электрон
вместо простого вращения вокруг ядра
атома, начинает совершать сложное
движение относительно выделенного
магнитным полем направления Z.
Электронное облако атома прецессирует
вокруг этой оси с частотой Лармора
.
Такая простая модель объясняет наблюдаемое в экспериментах изменение поляризации флуоресценции атомных паров в зависимости от направления наблюдения. Если смотреть вдоль оси Z, то на частоте никакой атомной флуоресценции наблюдаться не будет, так как атомный диполь на этой частоте колеблется вдоль оси магнитного поля, а его излучение распространяется в направлении перпендикулярном этой оси.
На частотах 8.4 наблюдается право- и лево- вращающая поляризация, так называемые σ-, σ+ поляризации.
Если же смотреть вдоль оси X или Y, то наблюдается линейная поляризация на всех трех частотах и 8.4 которые называют πσ, соответственно. Вектор поляризации света π направлен вдоль магнитного поля, а σ - перпендикулярно.
Эффект Зеемана используется для измерения магнитных полей, например в звёздах.
С эффектом Зеемана связан эффект Штарка: расщепление уровней энергии атома электрическим полем. Для измерения удельных электрических полей используется Штарковская спектроскопия. Она основана на свечении спектрометром внутрь реактора, и по расщелённым уровням энергии атомов измеряется напряжённость электрического поля.