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

23 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

39870. Модель зрительных функций (КЧСМ, ДЧСМ) 686 KB
  В частности физиологами военного труда путем определения надежности стабильная устойчивость и несущественные колебания параметра от одного измерения к другому и валидности адекватность параметра исследуемому явлению различных клиникофизиологических биохимических и психофизиологических параметров было установлено что только комплекс из шести показателей время сложной сенсомоторной реакции с выбором КЧСМ ЧСС пульсовое АД выносливость к статическому мышечному усилию и индекс стептеста обладает значимой корреляционной связью с...
39871. 40 квартирный жилой дом 5.52 MB
  Для защиты деревянных элементов от возгорания и биологического разрушения обработать их препаратом БОПОД. В каждой квартире установлен газовый котел АльфаКолор работающий на природном газу. Определяем расчетный пролет перемычки: Элемент перемычки работает как однопролетная свободно лежащая равномерно загруженная балка. Плита монолитно связана со ступенями которые армируют по конструктивным соображениям и её несущая способность с учетом работы ступеней вполне обеспечивается.
39872. Разработка эффективной технологии сушки рециклового винилхлорида 1.66 MB
  Наибольший интерес к винилхлориду проявили позднее когда И. Первое промышленное производство винилхлорида основанное на щелочной обработке дихлорэтана изза недостатков не позволили полностью удовлетворить растущие потребности в винилхлориде. Простота и удобство этой реакции позволили за очень короткое время построить первые заводы сначала в Германии а затем в Англии. В настоящее время основным видом сырья для производства винилхлорида традиционно используют этилен ацетилен смеси этилена с ацетиленом получаемые крекингом нафты или...
39873. Производство глицерина производительностью 40000 т/год 331.5 KB
  Это позволило ориентировать нефтигазопереработку на обеспечение народного хозяйства не только топливом маслами и другими товарными продуктами но и дешёвым сырьём для химической и нефтехимической отраслей промышленности производящих различные синтетические продукты: пластические массы синтетические каучуки химические волокна спирты синтетические масла и др. Позже в 1913 году немецким ученым Гейнеманом предпринимались попытки синтезировать глицерин путем омыления 123трихлорпропана получаемого прямым хлорированием пропилена: C12...
39874. Усовершенствование технологии получения глицерина производительностью 40000 т/год 647 KB
  В разделе Автоматизация для контроля выбраны параметры которые позволяют наиболее полно и своевременно контролировать и регулировать ход процесса. Это позволило ориентировать нефтигазопереработку на обеспечение народного хозяйства не только топливом маслами и другими товарными продуктами но и дешёвым сырьём для химической и нефтехимической отраслей промышленности производящих различные синтетические продукты: пластические массы синтетические каучуки химические волокна спирты синтетические масла и др. Позже в 1913 году немецким ученым...
39875. Разработка технологии очистки отходящих газов содовых производств от токсичных компонентов 392 KB
  Одним из перспективных направлений природоохранной деятельности по защите воздушного бассейна от губительного воздействия вредных токсичных веществ содержащихся в отходящих промышленных газах является метод каталитического окисления. Получение кальцинированной соды включает следующие основные стадии: приготовление аммонизированного рассола станция абсорбции; карбонизация аммонизированного рассола с образованием бикарбоната натрия станция карбонизации; отделение бикарбоната натрия от маточника станция фильтрации; очистка и...
39876. Разработка термокаталитического метода обезвреживания отходящих газов цеха абсорбции-дистилляции-карбонизации №3 от токсичных компонентов 1.49 MB
  Одним из перспективных направлений природоохранной деятельности по защите воздушного бассейна от губительного воздействия вредных токсичных веществ содержащихся в отходящих промышленных газах является метод каталитического окисления.3 Источники образования газообразных выбросов производства цеха абсорбциидистилляциикарбонизации №3 На производстве кальцинированной соды к газообразным выбросам относятся: газовые выбросы после промывателя газа колоннII воздух после промывателя воздуха фильтров организованные выбросы после сборника...
39878. ОТЧЕТ по преддипломной производственной практике на ЗАО “Каустик” ЦЕХ № 21 ПРОИЗВОДСТВО ПЕРХЛОРВИНИЛОВОЙ СМОЛЫ 471.5 KB
  Добавление к ЧХУ 3 дихлорбензола позволяет значительно сократить время хлорирования. Из цистерны поливинилхлорид транспортируется по трубопроводу сжатым воздухом давлением 0305 МПа в расходные бункеры поз. 2814 и в силосы поз. Из силосов поливинилхлорид транспортируется по трубопроводу сжатым воздухом давлением 0305 МПа в расходные бункеры поз.