24.Спин орбитальное взаимодействие. Эффект Зеемана. Принцип Паули. Расположение элементов в системе Менделеева.

Спин орбитальное взаимодействие - это

взаимодействие частиц, зависящее от величин и взаимной ориентации их спинового и орбитального моментов; обусловливает тонкую структуру уровней энергии системы.

Эффект Зеемана

Зеемана эффект, расщепление уровней энергии и спектральных линий атома и других систем в магнитном поле. Под действием магнитного поля уровни энергии расщепляются на зеемановские подуровни; при переходах между подуровнями уровней Ei и Ek вместо одной спектральной линии появляется несколько поляризованных компонент. Для одиночных спектральных линий в направлении, перпендикулярном направлению напряженности магнитного поля Н, наблюдается зеемановский триплет - несмещенная относительно первичной линии π-компонента, поляризованная в направлении Н, и две симметричные относительно нее σ-компоненты, поляризованные перпендикулярно Н (простой, или нормальный, Зеемана эффект, рис. 1).

Б-зеемановский триплет; В – -компоненты; Стрелками показано направление поляризации, V1 и V2 - частоты -компонент.

Для дублетов и мультиплетов высших порядков наблюдается сложная картина расщепления: появляется несколько равноотстоящих друг от друга π-компонент и две симметричные относительно них группы σ-компонент (аномальный, или сложный Зеемана эффект). Величина расщепления пропорциональна Н и относительно мала. В сильных магнитных полях (полях, вызывающих расщепление порядка мультиплетного и выше) вместо сложного Зеемана эффекта наблюдается зеемановский триплет (Пашена-Бака эффект).

Зеемана эффект обусловлен наличием у квантовой системы (например, атома) магнитного момента μ, который связан с механическим моментом М атома и может ориентироваться в пространстве лишь определенным образом. Число возможных ориентаций момента μ равно степени вырождения уровня энергии. Каждой проекции μH магнитного момента μ на направление Н, соответствует дополнительная энергия, ΔE = - μHH,

что приводит к снятию вырождения, уровень расщепляется, т.к. μH принимает значение μH = - gμБm(где g - Ланде множитель; μБ- магнетон Бора; m - магнитное квантовое число), то значение ΔE = gμБHm для различных m различны. Расстояние между соседними подуровнями δ = gμБH = gΔE0, где ΔE0 = μБH - величина нормального расщепления. Если для уровней Ei и Ek

расщепление одинаково (gi = gk), то наблюдается зеемановский триплет, если gi ≠ gk, - сложный Зеемана эффект.

Исследование картины зеемановского расщепления важно для изучения тонкой структуры атомов и других атомных систем. Наряду с квантовыми переходами между зеемановкими подуровнями, принадлежащими различным уровням энергии (Зеемана эффект на спектральных линях), можно наблюдать магнитные квантовые переходы между подуровнями одного уровня энергии. Такие переходы происходят под действием излучения с частотами ν=δ/h (h - постоянная Планка), лежащими, как правило, в СВЧ диапазоне электромагнитных волн. Это приводит к эффекту избирательного поглощения радиоволн в парамагнитных веществах, помещенных в магнитное поле, - к электронному парамагнитному резонансу. На основе этого эффекта созданы устройства квантовой электроники, в том числе приборы для прецизионного измерения слабых полей (квантовые магнетометры).

Принцип Паули:

В системе одинаковых фермионов любые два из них не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии.

Состояние электрона в атоме однозначно определяется набором 4х квантовых чисел:

Главного n (n=1,2,3…),

Орбитального l (l=0,1,2, …, n-1),

Магнитного m1

Магнитного спинового

( =+1/2, -1/2).

Распределение электронов в атоме подчиняется принципу Паули: в одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором 4х квантовых чисел n, l, и

, т. е. : Z( n, l, , и )=0 или 1,

Где Z( n, l, , и )- число электронов, находящихся в квантовом состоянии, описываемом набором 4х квантовых чисел. Т. О. , принцип Паули утверждает, что 2 электрона, связанные в одном и том же атоме, различаются значениями по крайней мере одного квантового числа.