s5_atomfiz_exam_nah_book

Глава 17. Вплив магнітного і електричного полів на атоми

де. Відповідні складові триплету Лоренца:

ЗЕЄМAH ПІТЕР (1865-1943)

Закінчив Лейденський університет (1890), працював викладачем. З 1897 – доцент Амстердамського університету. У 1900 став професором, а в 1908 – директором Фізичного інституту в Амстердамі. Займається науковими дослідженнями з спектроскопії, магнітооптики.

У 1896 Зеєман досліджував спектр світіння парів натрію в полі потужного електромагніта. Як і Фарадей, який провів аналогічний дослід у 1862, він спостерігав жовті D-лінії за допомогою спектроскопа, але використовував прилад з більшою роздільною

здатністю. Помітив, що в сильному магнітному полі спектральні лінії розщеплюються (ефект Зеємана). Повторивши експеримент зі спектроскопом ще більш високої роздільної здатності, Зеєман у 1897 за даними своїх вимірів точно визначив відношення заряду електрона до його маси. Теорію ефекту Зеємана запропонував у 1897 Х.Лоренц. Ефект Зеємана виявився безперечним підтвердженням електромагнітної природи світла.

У 1902 Зеєман і Лоренц одержали Нобелівську премію з фізики «за відкриття явища розщеплення спектральних ліній під впливом магнітного поля». Зеєман був обраний членом Королівського товариства і Французької академії наук.

17.2. Аномальний ефект Зеємана і його квантова теорія

Терми та спектральні лінії атомів, у яких сумарне спінове число S 0, 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 p і s лінійними поляризаціями замість 6 складових для нормального ефекту Зеємана. В напрямку паралельному магнітному полю спостерігається лише 6 складових з круговою s - поляризацією. Слабким магнітним полем

Глава 17. Вплив магнітного і електричного полів на атоми

називається поле, яке не "розриває"2 спін-орбітального зв’язку, тому що енергія взаємодії з полем B

( LB) [ LB( S )] i ( SB) [ LB( S )] . (17.5)

Для атомів Li, наприклад, слабкими полями називаються поля з напруженістю B < 50000 Е. Розглянемо тепер дублет D1 і D2 головної серії атомного спектра Li в слабкому магнітному полі

*1 = 22S1/2 - 22P1/2

*2 = 22S1/2 - 22P3/2

У зовнішньому магнітному полі з напруженістю B кожний енергетичний рівень валентного електрона розщепиться на 2J + 1 підрівнів через енергію взаємодії магнітних моментів із B :

Квантові числа і фактор Ланде для цього випадку наведені в таблиці

17.1.

Таблиця17.1 Значення квантових чисел, фактора Ланде та добутку mJgJ

Якщо використати правила відбору для дипольних переходів

2 Використання виразу, що магнітне поле "розриває" спін-орбітальну взаємодію іноді утруднює розуміння явища. Цей вираз лише означає, що енергією спін-орбітальної взаємодії можна знехтувати порівняно з енергіями взаємодії орбітального моменту і спіну з зовнішнім магнітним полем.

Глава 17. Вплив магнітного і електричного полів на атоми

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

(див. главу 15). Схема розщеплення термів 2S1/2 , 2P1/2 і 2P3/2 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 .

17.3. Ефект Пашена і Бака

При збільшенні напруженості магнітного поля величина розщеплення термів і ліній ( ћw B) лінійно залежить від B до тих пір, поки крайні спектральні лінії мультиплетів від D1 і D2 не перекриються,

Глава 17. Вплив магнітного і електричного полів на атоми

Як видно з формули (17.8), утворюється 3 лінії - основна й два сателіти, тобто утворюється триплет Лоренца. Перетворення аномального ефекту Зеємана в нормальний у сильних магнітних полях назива-

ється ефектом Пашена і Бака.4

Більш точний розгляд ефекту Пашена і Бака (рис.17.4) повинен вра-

B > BC 2 wL

Рис.17.4. Схема розщеплення спектральних дублетних ліній при збільшенні напруженості магнітного поля.

ховувати спін-орбітальну взаємодію, відповідальну за розщеплення дублету D1 D2, що призводить до додаткового розщепленняES Z 4 2mLmS 2n3 1 12 1/ 2 . Воно вказує, що в сильних магнітних полях утворюється не 3, а 5 ліній із 10 ліній сателітів дублета в умовах аномального ефекту Зеємана. З 10 ліній 1-ша й 10-та щезають, бо вони заборонені правилами відбору ( mS = 0), 3-я та 7-ма p- лінії зливаються, зливаються також 4-та та 8-ма p-лінії. Залишається

5 ліній: (2p + 5s), 6s, (3p + 7p), (4s + 8p) і 9s. Проте при великих на-

пруженостях магнітного поля w0 > wD1D2, тому розщеплення ліній (4 + 8) і 9 а також для ліній (2 + 5) і 6, які становлять 1/3 від wD1D2, стають непомітними й за допомогою спектрографів обмеженої роздільної здатності не розділяються на окремі складові.

4 Пашен Фредерік (1865 - 1947рр) - німецький фізик експериментатор. Бак Ерст (1881 - 1959рр) - німецький фізик експериментатор.

Глава 17. Вплив магнітного і електричного полів на атоми

На наступному рис.17.5 зображена схема термів S і P у магнітному полі. Видно, що у великому магнітному полі більшому за критичне, коли розщеплення термів Лоренца стає більшим за розщеплення ліній дублету через спін-орбітальну взаємодію, „розривається” спін-

орбітальний зв’язок тобто орбітальний момент і спін незалежно один від одного взаємодіють із магнітним полем. У цьому разі енергія термів буде визначатись не квантовим числом mJ, а квантовими числами mL і mS, а точніше mL + 2mS.

На завершення розгляду ефекту Зеємана слід зауважити, що крім спонтанних переходів можуть мати місце вимушені переходи між розщепленими в магнітному полі рівнями, наприклад, між рівнями 1Р1 mj=1 і 1Р1 mj=--1 Ці переходи використовуються в методі ЕПР і були нами розглянуті в попередньому розділі (розділ 16).

17.4. Поляризація світла при ефекті Зеємана

Експериментально встановлено, що компоненти зеєманівських мультиплетів поляризовані. p - поляризовані компоненти виникають при виконанні правила відбору mJ = 0. Їхній електричний вектор

коливається паралельно напрямку поля B (див. (8.80*). При mJ = 1 генеруються s - компоненти з круговою поляризацією, яка утворюється складанням коливань електричного вектора в двох напрямках

перпендикулярних до поляB (див. (8.81) та рис.17.6), поляризація

Рис.17.6. Схема утворення поляризації зеєманівських ліній.

компонент зеєманівських мультиплетів зв’язана з певною зміною проекцій компонентів кутового моменту електрона, який випромінює під час переходів між термами. Розглянемо для спрощення нор-

мальний триплет Лоренца. Згідно (17.4) спектральні складові триплету

Глава 17. Вплив магнітного і електричного полів на атоми

при mj = 1 s - циркулярно поляризовані, а при mj = 0 p - лінійно поляризовані. В цих переходах не змінюється напрямок спінів, тому переходи відбуваються за умов m =0, 1. Згадаймо, що у підрозділі 8.8 ми отримали для атомів водню правило відбору m =0 з умови, що матричний елемент дипольного моменту вздовж осі z не дорів-

явність змінного дипольного моменту призводить до генерації поляризованих електромагнітних хвиль з напрямком коливання електрич-

ного вектора перпендикулярно до вісі диполя. Диполь e zmn 0 від-

повідає за лінійну p - поляризацію, а диполі e x mn 0 і e y

за кругову s - поляризацію. Кругова поляризація утворюється внаслідок складання двох взаємно перпендикулярних коливань вздовж

осей х і у, перпендикулярних до поля B .

Це пояснення узгоджується з уявленнями про спін фотона, який може мати дві проекції ћ на вісь z паралельну напрямку хвильового вектора фотона. У магнітному полі проекції кутового моменту електрона також кратні ћ. Внаслідок закону збереження кутового моменту при умові m = 1 можуть генеруватися фотони з проекціями кутового моменту, кратними ћ, тобто циркулярно поляризовані електромагнітні хвилі (s - компоненти з круговою поляризацією). Ці спектральні лінії в напрямку, перпендикулярному напрямкові магнітного поля будуть сприйматись як лінійно поляризовані хвилі з sполяризацією. Їх електричний вектор коливається в напрямку перпендикулярному до напрямку магнітного поля. При виконанні умови m = 0 і ms = 0 (умова ms = 0 виконується при оптичних переходах у випадку L S зв’язку) квант світла (фотон) має нульову проекцію моменту спіну на напрямок магнітного поля, й тому такі кванти не спостерігаються в напрямку паралельному магнітному полю. Вони спостерігаються лише в перпендикулярному напрямку у вигляді p - компоненти лінійно поляризованого світла, електричний вектор якої коливається вздовж напрямку магнітного поля. Наведені аргументи щодо поляризації компонентів зеєманівських мультиплетів можуть бути розповсюджені й на аномальний ефект Зеємана, бо аналіз дозволених переходів показує, що, коли mj=0, то m = 0 і ms = 0, а ко-

ли mj= 1, то m = 1 і ms = 0. У другому випадку e x і

Глава 17. Вплив магнітного і електричного полів на атоми

e ymn 0 , тобто генерують два взаємно перпендикулярних диполі,

які утворюють циркулярно поляризовану хвилю. У першому випадку генерує один диполь, утворюючи p компоненту.

17.5. Ефект Штарка

Лауреат Нобелівської премії Йохамен Штарк в 1913 році відкрив нове явище. Воно полягає в тому, що в зовнішньому електричному полі енергетичні рівні атомів, молекул та кристалів зміщується й розщеплюються на підрівні, й відбувається розщеплення відповідних спектральних ліній у спектрах випромінювання й поглинання. Лінії в електричному полі розщеплюється на компоненти, тим більше, чим більше номер серії спектральної лінії n - головне квантове число змінного терму. Це явище називається ефектом Штарка.

ШТАРК ЙОХАННЕС (1874-1957)

Німецький фізик, лауреат Нобелівської премії 1919 р. з фізики «за відкриття ефекту Доплера в каналових променях і розщеплення спектральних ліній в електричних полях».

Вивчав хімію, фізику, математику й кристалографію в Мюнхенському університеті, по його закінченні в 1399 працював асистентом. В 1900-1906 викладав у Геттингенському університеті, в 1906-1909 – професор Вищої технічної школи в Ганновері, в 19091917 – в Ахені. В 1917-1920 – професор університету в Грейсвальді, в 1920-1933 – професор Вюрцбургського університету, в 1933-

1939 – президент Фізико-хімічного інституту в Берліні, в 1934-1936 – президент Німецького наукового товариства.

В 1905 Штарк виявив ефект Доплера в каналових променях. В 1913 Штарк повідомив про небачене раніше явище – розщеплення енергетичних рівнів атомів і молекул під дією електричного поля, що проявляється в зміщенні й розщепленні спектральних ліній (ефект Штарка)

Штарк був активним опонентом теорії відносності Ейнштейна. У роки гітлерівського режиму виявив себе затятим нацистом. В 1947 суд, що займався справами по денацифікації, присудив Штарка до чотирьох років виправних робіт за пропаганду антисемітизму.

Частина ліній в напрямку спостереження, перпендикулярному напруженості електричного поля виявляється поляризованою вздовж поля (pкомпоненти mj= 0), а частина - поляризована перпендику-

лярно полю Е (sкомпоненти mj= 1). У напрямку паралельному електричному полю, можуть з являтись лише sкомпоненти. Всі вони будуть не поляризованими, тому що сила, з якою діє електричне поле з напруженістю Е на електрон, що коливається і випромінює, не зале-