Эффе́кт Зе́емана[1] — расщепление линий атомных спектров в магнитном поле. Назван в честь Питера Зеемана, открывшего эффект в 1896 году.

Эффект обусловлен тем, что в присутствии магнитного поля электрон, обладающий магнитным моментом приобретает дополнительную энергию Приобретённая энергия приводит к снятию вырождения атомных состояний по полному квантовому числу и расщеплению атомных спектральных линий.

Природа эффекта править

В классическом представлении править

Объяснение эффекта Зеемана в рамках классической физики было дано Хендриком Лоренцем. Согласно его теории, атом рассматривается как классический гармонический осциллятор, и его уравнение движения в присутствии магнитного поля   направленного вдоль оси Z, можно рассматривать в виде:

 
где   — скорость вращения электрона вокруг ядра,
  — масса электрона,
  — резонансная частота электронного дипольного перехода.

Последний член в уравнении обусловлен силой Лоренца.

Введём величину, называемую ларморовской частотой  

 
Поляризация и спектр Зееман-эффекта, детектируемые с различных направлений наблюдения: * картинка с жёлтым фоном — наблюдение ведётся в направлении магнитного поля. В этом случае в спектре флуоресценции атомарных паров детектируется две частоты c круговой поляризацией   и   * картинка с синим фоном — наблюдение ведётся перпендикулярно направлению магнитного поля. В этом случае в спектре флуоресценции атомарных паров детектируются три частоты, имеющие линейную поляризацию σ и π

Решение уравнения движения показывает, что резонансная частота дипольного момента в присутствии магнитного поля расщепляется на три частоты  , называемых лоренцевским или простым зеемановским триплетом. Таким образом, в магнитном поле электрон вместо простого вращения вокруг ядра атома начинает совершать сложное движение относительно выделенного магнитным полем направления   Электронное облако атома прецессирует вокруг этой оси с частотой Лармора  

Такая простая модель объясняет наблюдаемое в экспериментах изменение поляризации флуоресценции атомарных 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   наблюдается право- и левовращающая поляризации, так называемые   и  -поляризации.

 
Поперечный эффект Зеемана: вещество = Hg, λ = 579 нм, H ≈ 2950 эрстед (взято с шильдика магнита и может не совпадать с расчётным), параметры интерферометра Фабри — Перо: d = 4 мм, r = 98 %

Если же смотреть вдоль осей X или Y, то наблюдается линейная поляризация (π и σ соответственно) на всех трёх частотах   и  . Вектор поляризации света π направлен вдоль магнитного поля, а σ — перпендикулярно.

Классическая физика оказалась способной описать только так называемый простой (нормальный) эффект Зеемана. Объяснить сложный (аномальный) эффект Зеемана в рамках классических представлений о природе невозможно.

В квантовом представлении править

Полный гамильтониан атома в магнитном поле имеет вид:

 
где   — невозмущенный гамильтониан атома и   — возмущение, созданное магнитным полем:
 

Здесь   — магнитный момент атома, который состоит из электронной и ядерной частей. Ядерным магнитным моментом, который на несколько порядков меньше электронного, можно пренебречь. Следовательно:

 
где   — магнетон Бора,
  — полный электронный угловой момент,
  — g-фактор.

Оператор магнитного момента электрона является суммой орбитального   и спинового   угловых моментов, умноженных на соответствующие гиромагнитные отношения:

 
где  ,
 .

Последнюю величину называют аномальным гиромагнитным отношением, отклонение от 2 появляется из-за квантово-электродинамических эффектов. В случае L-S-связи для расчета полного магнитного момента суммируются все электроны:

 
где  
  — полный орбитальный и спиновый моменты атома, усреднение делается по атомному состоянию с данной величиной полного углового момента.

Простой эффект Зеемана править

Простым или нормальным эффектом Зеемана называется расщепление спектральных линий на три подуровня; он качественно может быть объяснён классически. Если член взаимодействия   мал (меньше тонкой структуры то есть  ), нормальный эффект Зеемана наблюдается:

  • при переходах между синглетными термами ( );
  • при переходах между уровнями   и  ;
  • при переходах между уровнями   и  , поскольку   не расщепляется, а   расщепляется на три подуровня.

В сильных полях также наблюдается расщепление на три подуровня, однако это может происходить вследствие эффекта Пашена — Бака (см. далее).

При нормальном эффекте Зеемана расщепление связано с чисто орбитальным или чисто спиновым магнитным моментами. Это наблюдается в синглетах He и в группе щёлочноземельных элементов, а также в спектрах Zn, Cd, Hg.

Поляризация   и   наблюдаются при изменении проекции магнитного момента на   и  , соответственно.

Несмотря на то, что Зееман изначально наблюдал в своих экспериментах именно простой эффект, в природе он встречается относительно редко.

Сложный эффект Зеемана править

 
Расщепление спектральных линий рубидия-87 в магнитном поле на несколько линий. Так как сдвиг длины волны в практически достижимых в лабораториях магнитных полях незначителен, обычно указывают эти изменения в виде сдвига частоты.

Для всех несинглетных линий спектральные линии атома расщепляются на значительно большее, чем три, количество компонент, а величина расщепления кратна нормальному расщеплению  . В случае сложного (или аномального) эффекта величина расщепления сложным образом зависит от квантовых чисел  . Как указано ранее, приобретённая электроном в магнитном поле дополнительная энергия   пропорциональна   — фактору, который называют множителем Ланде (гиромагнитный множитель) и который дается формулой

 

где L — значение орбитального момента атома, S — значение спинового момента атома, J — значение полного момента.

Впервые этот множитель ввёл Ланде. Работы Ланде являлись продолжением работ Зеемана, поэтому расщепление линий в спектрах, полученных Ланде в магнитном поле, называют аномальным эффектом Зеемана. Заметим, что эксперимент Зеемана сделан при  , то есть  , поэтому никакой надобности в множителях не возникало.

Таким образом, вырожденный энергетический уровень расщепляется на   равноотстоящих зеемановских подуровня (где   — максимальное значение модуля магнитного квантового числа  ).

 
Эффект Зеемана для перехода между дублетными S- и P-термами (например, альфа-переход в Лаймановской серии). Слева — невозмущённые уровни. Справа — уровни, расщеплённые под воздействием магнитного поля. Стрелками показаны дипольно-разрешённые переходы

Эффект Пашена — Бака править

Эффект Пашена — Бака наблюдается, когда зеемановское расщепление превышает расщепление тонкой структуры, то есть при  . В таких полях разрушается обычное спин-орбитальное взаимодействие. При этом сложное зеемановское расщепление переходит в простое, так что вырожденный энергетический уровень расщепляется на   равноотстоящих зеемановских подуровней (где   — максимальное значение модуля магнитного квантового числа  ).

Сверхсильные поля править

В ещё более сильных магнитных полях, при которых циклотронная энергия электрона   (где   — его циклотронная частота) становится сопоставимой с энергией связи атома или превышает её, структура атома полностью меняется. В этом случае классификация уровней производится согласно уровням Ландау, а кулоновское взаимодействие выступает как возмущение по отношению к магнитному, расщепляя уровни Ландау на подуровни. Для атома водорода в основном состоянии такая ситуация наступает, когда   превышает атомную единицу энергии, то есть при   Тл.

История править

Предположение, что спектральные линии могут расщепляться в магнитном поле, было впервые высказано Майклом Фарадеем, который, однако, не смог наблюдать эффект из-за отсутствия источника достаточно сильного поля[2]. Эффект был впервые обнаружен Питером Зееманом в 1896 году для узкой зелёно-голубой линии кадмия. В своём опыте Зееман применял магнитные поля напряжённостью 1–1,5 Тл и наблюдал расщепление линии на триплет. Зееман сослался на Фарадея как на автора идеи[2]. 31 октября 1897 года об этих опытах узнал Хендрик Лоренц, который уже на следующий день встретился с Зееманом и привёл ему своё объяснение, основанное на разработанной им же классической электронной теории. Вскоре, однако, обнаружилось, что спектральные линии большинства других веществ расщепляются в магнитном поле более сложным образом. Объяснить этот эффект удалось только в рамках квантовой физики с развитием представлений о спине[3]. За открытие и объяснение эффекта Зееман и Лоренц были награждены Нобелевской премией по физике 1902 года.

См. также править

Примечания править

  1. Ельяшевич М. А. Зеемана эффект // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Добротность — Магнитооптика. — С. 77—78. — 704 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-061-4.
  2. 1 2 Zeeman P. The Effect of Magnetisation on the Nature of Light Emitted by a Substance (англ.) // Nature. — 1897. — Vol. 55, iss. 1424. — P. 347. — doi:10.1038/055347a0. — Bibcode1897Natur..55..347Z.
  3. Сивухин Д. В. § 92. Эффект Зеемана // Общий курс физики. — М.: Наука, 1980. — Т. IV. Оптика. — С. 564. — 768 с.

Литература править

Оригинальные статьи править