Эффект Зеемана

Прямой (обращенный) эффект Зеемана состоит в расщеплении спектральных линий испускаемого (поглощаемого) излучения, если испускающие (поглощающее) вещество находится в магнитном поле. Эффект Зеемана обоснован расщеплением энергетических уровней атомов либо молекул в магнитном поле (Рис. 1.5).

Эффект воздействия магнитного поля на излучение атомов, найден в 1896 г. голландским ученым Питером Зееманом и позже на теоретическом уровне был объяснен Хендриком Лоренцом. Сущность данного явления состоит в том, что в магнитном поле в итоге деяния сил Лоренца на крутящиеся вокруг ядра атома электроны происходит расщепление излучения атомов, в итоге чего возникают две боковые частоты.

Рис. 1.4 Диапазон излучения (поглощения) веществ в магнитном поле.

В 1862 г., полагая, что магнитное поле должно оказывать влияние не только лишь на распространение света, да и на его испускание, Фарадей изучил диапазон желтоватого света пламени, содержащего пары натрия, помещенного меж полюсами магнита, но не нашел ожидаемого эффекта. Но в 1896 голландский физик П. Зееман (1865–1943), работавший в Лейдене, повторил его попытку, применив более совершенный способ. Он нашел, что при наложении поля любая из линий желтоватого дублета диапазона натрия (так именуемых D-линий) уширяется (т.е. возрастает полоса испускаемых частот).

Теоретическое разъяснение явления было дано соотечественником Зеемана, теоретиком Х. Лоренцем. Сущность его рассуждений можно коротко выложить, рассматривая обыкновенные случаи. Допустим, что заряд е движется в излучающем атоме по окружности, плоскость которой перпендикулярна магнитному полю В. Для простоты представим, что сила, связывающая заряд с атомом, пропорциональна расстоянию R от центра окружности. (Это предположение не имеет принципного значения, но упрощает вычисления.) В отсутствие поля В, приравняв центробежную силу инерции центростремительной силе, получим

, (1.2)

откуда находим частоту воззвания заряда:

. (1.3)

В поле с индукцией В на электрон действует сила Лоренца (), заставляющая его двигаться из плоскости рисунка. При всем этом полная сила, действующая на заряд, равна (); как следует,

. (1.4)

Данный эффект можно следить при помощи спектроскопа, если заряд испускает, двигаясь по окружности, меж северным и южным полюсами магнита. Приближенное решение уравнения, справедливое при всех значениях индукции В, не считая экстремальных, имеет вид:

, (1.5)

где индекс «час» показывает на то, что вращение происходит по часовой стрелке. Если заряд крутится против часовой стрелки, то действие магнитного поля обратно

. (1.6)

Если плоскость вращения параллельна магнитному полю, то последнее не оказывает влияние на частоту воззвания. Экспериментальные исследования, проведенные Зееманом, подтвердили эти теоретические пророчества. Это свидетельствует о том, что крутятся отрицательные заряды, а на основании измеренного уширения начальной полосы Зееман пришел к выводу, что отношение заряда частички к ее массе составляет приблизительно Кл/кг. За пару лет ранее Дж. Томсон, изучая процессы в газоразрядных трубках, нашел частички, позже нареченные электронами, и установил наличие у их отрицательного заряда, при этом отношение их заряда к массе составляло Кл/кг. Так как, не считая электрона, не существует других частиц с близкими значениями дела заряда к массе, конкретно электроны (хотя они и составляют жалкую долю массы всего атома) несут ответственность за испускание света.

Это очень принципиальное открытие подготовило почву для разработки теории электрического строения атомов, которая, начиная с вклада Резерфорда и Бора в 1911 и 1912, развивалась, превратившись в современную общепризнанную теорию атома. Но как было осознано значимость значения открытия Зеемана, стали появляться трудности. В 1898 Т. Престон сказал о том, что некие спектральные полосы цинка и кадмия расщепляются на четыре составляющие, а скоро А. Корню нашел, что из 2-ух D-линий натрия, с которыми экспериментировали Фарадей и Зееман, одна расщепляется на четыре, а другая – на 6 компонент. В 1911 К. Рунге и Ф. Пашен установили, что насыщенная зеленоватая линия в диапазоне ртути расщепляется на 11 компонент. Поначалу настолько сильное расщепление было воспринято как «аномальный эффект Зеемана». Но скоро стало ясно, что «нормальный эффект Зеемана» с расщеплением на три составляющие сам представляет собой исключение, и появилась необходимость в предстоящем уточнении теории Лоренца.

А.Ланде из Тюбингена отыскал в 1923 (проанализировав экспериментальные данные для огромного числа личных случаев) сложную общую формулу, которая позволяла точно высчитать эффект Зеемана для хоть какой спектральной полосы. Причина, по которой для описания обычных явлений, возникающих при движении атомного электрона в магнитном поле, нужна настолько непростая формула, стала ясна после открытия, изготовленного в 1925 С. Гаудсмитом и Дж. Уленбеком. Они нашли, что электрон ведет себя наподобие волчка, вращаясь вокруг своей оси. Электродинамика указывает, что таковой электрон должен вести себя как небольшой магнит и что конкретно двойное взаимодействие с магнитным полем орбитального момента в атоме и спина приводит к сложной динамической картине.

В 1926 В. Гейзенберг и П. Иордан, пользуясь способами квантовой механики, проанализировали эффект Зеемана и вывели формулу Ланде из главных принципов теории. Это исчерпающее разъяснение эффекта Зеемана явилось одним из первых триумфов новейшей атомной теории. Современные научные способы позволяют использовать эффект Зеемана для идентификации атомных и ядерных состояний. Формулы типа формулы Ланде, связывающие зеемановское расщепление в диапазонах атомов, молекул и ядер с их вращательным движением, позволяют по данным измерения эффекта Зеемана в диапазонах, обусловленного неведомыми атомными конфигурациями, выяснять нрав этих конфигураций. Эффект Зеемана обычно изучат способами спектроскопии либо способами атомных и молекулярных пучков.

Эффект Зеемана употребляется, к примеру, в астрофизике для определения магнитных полей галлактических объектов. При измерениях магнитных полей звёзд зеемановское расщепление спектральных линий обычно наблюдается в поглощении. Продольный компонент магнитного поля измерен у нескольких сотен звёзд разных спектральных классов.

Рис. 1.5 Обычный эффект Зеемана,

— частота начальной полосы, и — частоты -компонентов.

Эффект Зеемана наблюдается и в молекулярных диапазонах, но расшифровать такие диапазоны существенно сложнее, чем атомные. Не считая того, наблюдение эффекта в молекулярных диапазонах представляет огромные экспериментальные трудности из-за трудности картины расщепления и перекрытия молекулярных спектральных полос. Данный эффект можно следить также и в диапазонах кристаллов (обычно в диапазонах поглощения).

Эффект Зеемана применяется не только лишь в спектроскопии для исследования узкой структуры вещества, да и в устройствах квантовой электроники, для измерения магнитных полей в лабораторных критериях, также магнитных полей галлактических объектов.

Открытие данного эффекта сыграло не последнюю роль в развитии атомной теории. Он показал, что испускание света атомом связано с движением его электронов, а позже отдал возможность детально и с высочайшей точностью проверить корректность квантовой механики – базы современной атомной теории.