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

30 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

58165. Збройні сили Київської Русі 138.5 KB
  Княжа дружина була зорганізована на зразок варязьких дружин. Хоча скандинавці втратили значення в Україні і мусили уступити з війська, але їх військову організацію, що визначалася дуже високими прикметами, князі зберегли та тільки її перетворили, відповідно до розвитку і потреб держави.
58166. Формы государства 51.5 KB
  Формы государства, как совокупность его внешних признаков представляет организацию государственной власти в стране, включая 3 взаимосвязанных элемента...
58167. Фізіологічна і соціальна зрілість. Взаємозв’язок фізіологічної та соціальної зрілості 42.5 KB
  Мета: сформувати в учнів поняття про фізіологічну й соціальну зрілість показати взаємозвязок фізіологічної та соціальної зрілості. Підлітковий вік характеризується переходом до фізичної й соціальної зрілості.
58168. Соединения неметаллических элементов с Водородом. Хлорид Водорода. Соляная кислота. Аммиак. Соли аммония 36 KB
  Ковалентная неполярная связь между атомами Водорода в молекуле Водорода образована перекрыванием двух 1S1 орбиталей двух атомов молекулярное вещество. В лаборатории водород добывают несколькими способами прежде всего реакцией металлов расположенных...
58169. Письмо. История письма 41 KB
  Письмо – это система начертательных знаков, используемых для фиксации речи. Оно возникло около 6000 лет тому назад, гораздо позднее, чем звуковой язык.
58170. ПРЕДМЕТ ТЕОРИИ ФИЗИЧЕСКОГО ВОСПИТАНИЯ И ЕГО ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 38.5 KB
  Физическое развитие процесс формирования и последующего изменения на протяжении индивидуальной жизни естественных морфо-функциональных свойств организма ребенка и основанных на них психофизических качеств.
58172. Системы объектов 110.5 KB
  Состояние сложного, составного объекта определяется не только значениями его собственных признаков, но и состояниями объектов – частей. Например, автомобиль переходит в состояние торможения, когда нажата педаль тормоза.
58173. ЗИМОВІ СВЯТА ТА ОБРЯДИ. ВОДОХРЕЩА 78.5 KB
  Проаналізуйте прослуханий музичний твір і скажіть де б ви могли почути музику такого характеру Учні: Музика цього твору стримана зосереджена спонукає до роздумів над ціллю життя правильністю своєї поведінки. Учитель: Ви слухали музичний твір російського композитора...