28171

Атом во внешних полях. Простой и сложный эффект Зеемана

Доклад

Физика

Простой и сложный эффект Зеемана Расщепление спектральных линий атомных систем помещенных во внешнее магнитное поле называется эффектом Зеемана 1896 г. Расщепление линии на три компонента названо простым нормальным эффектом Зеемана. Расщепление линии более чем на три компонента названо сложным анормальным эффектом Зеемана Количественное объяснение простого эффекта Зеемана с позиций классической теории дано Лоренцем. Последовательное описание обоих вариантов эффекта Зеемана дано в рамках квантовой теории с учетом спинового магнитного...

Русский

2013-08-20

165.5 KB

26 чел.

71  Атом во внешних полях. Простой и сложный эффект Зеемана 

Расщепление спектральных линий атомных систем, помещенных во внешнее магнитное поле, называется эффектом Зеемана (1896 г.). Расщепление линии на три компонента названо простым (нормальным) эффектом Зеемана. Расщепление линии более чем на три компонента названо сложным (анормальным) эффектом Зеемана Количественное объяснение простого эффекта Зеемана с позиций классической теории дано Лоренцем. Согласно теории Лоренца при наблюдении излучения атомов перпендикулярно направлению внешнего магнитного поля спектральная линия с частотой  должна расщепляться на три компонента с частотами , , ; величина

                                                        (1)

( - модуль напряженности внешнего магнитного поля) называется нормальным расщеплением. Компоненты расщепления обнаруживают линейную поляризацию: крайние (-компоненты) – перпендикулярную к направлению , средний (-компонент) – параллельную .

Последовательное описание обоих вариантов эффекта Зеемана дано в рамках квантовой теории с учетом спинового магнитного момента атомов.

Воздействие внешнего магнитного поля приводит к изменению энергии атома на величину , и как следствие, к его расщеплению на несколько компонентов. В результате спектральная линия, обусловленная квантовым переходом между рассматриваемой парой энергетических уровней, также расщепляется.

Рассмотрим аномальный эффект Зеемана. Когда атом помещен в магнитное поле, его полная энергия слагается из двух частей: из внутренней энергии атома и из энергии взаимодействия магнитного момента атома с внешним магнитным полем.

В слабом магнитном поле спин-орбитальное взаимодействие существенно сильнее взаимодействия атома с внешним магнитным полем. Дополнительная энергия определяется по формуле

                                                                (2)

где  - магнетон Бора,  - магнитное квантовое число,

                                          (3)

- множитель Ланде.

В качестве примера рассмотрим  магнитную структуру дублета натрия, схема энергетических уровней которого приведена на рисунке 1.

Определим возможные , вычислим значения множителя Ланде  по формуле (3) и найдем для каждого из рассматриваемых термов (, , ) возможные значения , определяющие при заданном  значения дополнительной энергии  в единицах  (формула 2). Результаты сведем в таблицу 9.1.

Терм

 

1/2 ,   -1/2

2

1,     -1

1/2 ,   -1/2

2/3

1/3,     -1/3

3/2,  1/2,

-1/2,  -3/2

4/3

6/3,     2/3,

-2/3,  -6/3

Таким образом, терм  расщепляется на два компонента с разностью энергий , терм  - также на два компонента с разностью энергий , а терм  - на четыре компонента с величиной расщепления .

В соответствии с правилами отбора ,  выделим разрешенные излучательные переходы (рисунок 1). Как видим, линия  дублета расщепляется в магнитном поле на четыре компонента, а линия  - на шесть компонентов. При этом разности частот компонентов расщепления выражаются через нормальное расщепление  посредством рациональных чисел. В этом случае наблюдается сложный эффект Зеемана.

В сильном поле энергия взаимодействия орбитального и спинового моментов с полем значительно превосходит энергию их спин-орбитального взаимодействия. В этом случае дополнительная энергия, обусловленная воздействием внешнего магнитного поля, определяется по формуле

.                                               (4)

При этом    , , …,  0, -1, …, , ;

           , , … , 0, -1, … , .

Разность энергий двух уровней, между которыми осуществляется переход, обусловливающий появление линии в спектре равна

,

и, следовательно,

.

Тогда для смещения частот можно записать

,                                    (5)

где  определяется по формуле (1).

С учетом правил отбора: , ;   для смещения частот в спектре получим

, .

Видим, что при воздействии сильного магнитного поля спектральная линия с частотой  расщепляется на три компонента (простой триплет Лоренца). В этом случае регистрируется нормальный эффект Зеемана.

Таким образом, в сильных магнитных полях сложный эффект Зеемана переходит в простой, что обусловлено разрывом спин-орбитальной связи в сильных полях. Преобразование сложного эффекта Зеемана в простой в сильных магнитных полях составляет суть эффекта Пашена – Бака.

Нормальный эффект Зеемана, то есть расщепление спектральных линий на три компонента во внешнем магнитном поле, наблюдается:

  1.  при переходах между синглетными термами (, )
  2.  при переходах между уровнями , ;
  3.  при переходах между уровнями  и , поскольку уровень с  не расщепляется, а уровень с  расщепляется на три компонента;
  4.  в сильных магнитных полях для любых других электронных переходов.

PAGE  3


Рисунок
1 - Расщепление дублета натрия в слабом внешнем магнитном поле (масштаб по оси различен для случаев H=0 и H0)

/3H

D1                                 D2    

4/3H

8/3H

H=0                                    H0

2P3/2

2P1/2

2S1/2

mJ      mJgJ

3/2    5/3

1/2    2/3

1/2   -2/3

3/2   -5/3

1/2    1/3

1/2   -1/3

1/2       1

1/2      -1

D1  D2    

10/3H

5/3H


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

70754. Изучение гармонических колебаний 170 KB
  Цель работы: Изучить гармоническое колебательное движение на примерах колебаний математического физического и оборотного маятников. Свойства гармонических колебаний: Частота колебаний не зависит от амплитуды.
70756. Изучение прецессии гироскопа 495.5 KB
  Момент инерции тела относительно оси не проходящей через центр масс равен моменту инерции для параллельной оси проходящей через центр масс плюс произведение массы тела на квадрат расстояния между параллельными осями...
70759. Определение отношений воздуха методом Клемана–Дезорма 59 KB
  Цель работы: изучить адиабатический процесс в газах; определить отношение теплоемкостей газа методом адиабатического расширения. Приборы и принадлежности: стеклянный баллон, манометр, насос.
70760. Изучение статистических закономерностей на механических моделях 258.5 KB
  Движение каждой молекулы определяется законами классической механики поэтому в принципе можно написать уравнение движения каждой молекулы. Однако поскольку число молекул огромно то не только решить но даже написать такое громадное число дифференциальных уравнений практически невозможно.
70761. Определение скорости звука в воздухе методом стоячих волн 97 KB
  Эту величину называют длинной стоячей волны: Уравнение плоской синусоидальной волны имеет вид: где фаза плоской волны. Уравнение сферической синусоидальной волны имеет вид: где амплитуда волн. физическая величина численно равная амплитуде волны на единичном расстоянии.