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

83877. Малый сальник, сальниковая сумка, стенки, отверстие, связь с другими отделами. Способы осуществления доступа к поджелудочной железе 69.84 KB
  В зависимости от локализации патологического процесса и характера оперативного вмешательства производят различные разрезы передней брюшной стенки. Для обнажения тела и хвоста поджелудочной железы чаще применяют верхний срединный разрез который в случае необходимости можно расширить путем пересечения прямых мышц живота. Для подхода к головке поджелудочной железы особенно если одновременно предполагают вмешательство на желчных путях целесообразно применять разрезы С. Разрез проводят параллельно XII ребру справа если необходимо подойти к...
83878. Хирургическая анатомия печени. Связки, доли, ворота, кровеносные сосуды. Хирургическая анатомия печёночно – двенадцатипертной связки, элементы 54.27 KB
  Нижний край острый с двумя вырезками вдавление от желчного пузыря и вырезки круглой связки печени. Поперечная борозда соответствует воротам печени. Левая продольная борозда глубокая щель отделяющая левую долю печени от правой.
83879. Холецистэктомия. Лапароскопическая холецистэктомия. Треугольник Кало. Показания, техника выполнения, анатомические сложности 50.01 KB
  Границы треугольника: 1 пузырный проток латерально; 2 общий печеночный проток медиально; 3 правая ветвь собственной печеночной артерии сверху пузырная артерия сама нередко образует верхнюю границу треугольника Холецистэктомия Показания: воспаление желчного пузыря желчнокаменная болезнь опухоль желчного пузыря. Оперативный прием: существуют два способа выделения пузыря: от дна и от шейки. Холецистэктомия от шейки пузыря Выделение пузырного протока и пузырной артерии. Производят выделение и удаление желчного пузыря.
83880. Хирургическая анатомия желчного пузыря и желчных протоков. Варианты желчных протоков. Дренирование желчных протоков 78.03 KB
  Хирургическая анатомия желчного пузыря Желчный пузырь представляет собой грушевидной формы резервуар для желчи располагающийся между правой и квадратной долями печени. Шейка желчного пузыря продолжается в пу зырный проток направлена в сторону ворот печени и залегает вместе с пузырным протоком в печеночнодвенадцатиперстной связке. С\'келетотопия: дно желчного пузыря определяется спереди.
83881. Хирургическая анатомия желудка. Отделы, кровеносные сосуды, нервы и лимфатические пути 54.69 KB
  Отделы желудка Желудок имеет достаточно специфическую форму. В нем можно выделить несколько отделов которые отличаются в функциональном отношении и по своему гистологическому строению: кардиальный отдел дно желудка тело желудка и пилорический отдел. Кардиальный отдел или кардия желудка назван так за то что он располагается в непосредственной близости к сердцу.
83882. Хирургическая анатомия двенадцатиперстной кишки. Отделы, кровеносные сосуды. Большой и малый дуоденальные сосочки 50.97 KB
  Верхняя часть луковица двенадцатиперстной кишки располагается между привратником желудка и верхним изгибом двенадцатиперстной кишки. Нисходящая часть двенадцатиперстной кишки образует более или менее выраженный изгиб вправо и идет от верхнего до нижнего изгибов. В эту часть открываются обший желчный проток и проток поджелудочной железы на большом сосочке двенадцатиперстной кишки.
83883. Хирургическая анатомия поджелудочной железы и спленэктомия 51.49 KB
  Она имеет: переднюю поверхность к которой выше брыжейки поперечной ободочной кишки прилегает антральная часть желудка а ниже петли тонкой кишки; заднюю поверхность к которой прилегают правая почечная артерия и вена общий жёлчный проток и нижняя полая вена; верхний и нижний края. Тело имеет: переднюю поверхность к которой прилегает задняя стенка желудка; заднюю поверхность к которой прилегают аорта селезёночная и верхняя брыжеечная вены; нижнюю поверхность к которой снизу прилегает дена дцатиперстнотощекишечный изгиб; верхний...
83884. Хирургическая тактика при проникающих ранениях брюшной полости Тактика при ранении паренхиматозных и полых органов 50.73 KB
  Для осмотра селезенки желудок оттягивают вправо а левый изгиб ободочной кишки книзу. При обнаружении в брюшинной полости содержимого желудочнокишечного тракта сначала осматривают переднюю стенку желудка его пилорическиий отдел верхнюю горизонтальную часть двенадцатиперстной кишки а затем заднюю стенку желудка для чего рассекают желудочноободочную связку. Для обнаружения источника повреждения задней стенки нисходящей части двенадцатиперстной кишки рассекают париетальный листок брюшины по её наружному краю по Кохеру и мобилизовав...
83885. Операции при перфоративной язве желудка и двенадцатиперстной кишки. Техника выполнения. Тактика при перфорации опухоли желудка 51.17 KB
  Тактика при перфорации опухоли желудка. Ушивание прободной язвы желудка и двенадцатиперстной кишки При прободной язве желудка возможно выполнение двух видов срочных оперативных вмешательств: ушивание прободной язвы или резекция желудка вместе с язвой. При ушивании перфорационного отверстия необходимо придерживаться следующих правил: дефект в стенке желудка или двенадцатиперстной кишке ушивается обычно двумя рядами серозномышечных швов линия швов должна быть направлена перпендикулярно к продольной оси органа во избежание стеноза просвета...