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

19587. Цилиндрические зубчатые передачи 609.5 KB
  Передача непрерывного прошения от одного вала к другому с заданным передаточным отношением чаще всего осуществляется с помощью зубчатых механизмов. Зубчатые механизмы получили очень широкое применение как в машиностроении...
19588. Технологічний процес. Деталь. Фанера 64 KB
  Тема: Технологічний процес. Деталь. Фанера Мета: освітня: формування поняття деталь та технологічний процес; ознайомлення учнів з деякими способами отримання деталей та способами з’єднання з фанери; формування в учнів знань про фанеру як конструкційний матеріал;
19589. Християнство як світова релігія. Новітні релігійні течії 90 KB
  Християнство виникло у 2-й половині 1 століття н.е. у східних провінціях Римської імперії в умовах розпаду рабовласницького ладу. Віросповідними джерелами християнства є «святе письмо» (Біблія) і «священний переказ» - постанови Вселенських соборів, деякі напрямки християнства визнають і інші джерела своєї догматики
19590. Индикаторные приборы 321.67 KB
  При высоковольтной катодолюминесценции электроны ускоряются большими напряжениями (кВ — десятки кВ) и при бомбардировке люминофора проникают почти на всю его глубину. При этом выбиваются вторичные электроны, которые летят к ближайшим положительно заряженным электродам
19591. Методи проектування (фантазування, елементи біоніки). Вибір об’єкту проектування на основі зібраної інформації. Складання ескізу майбутнього виробу 48.5 KB
  Тема уроку: Методи проектування фантазування елементи біоніки. Вибір об’єкту проектування на основі зібраної інформації. Складання ескізу майбутнього виробу. Мета: сформувати уявлення про художньоконструкторську діяльність процес проектування та його основні
19592. ПЛАСТИЧНІ МАСИ 45 KB
  Пластичні маси (пластмаси) — матеріали на основі природних або синтетичних полімерів, здатні під впливом нагрівання і тиску формуватися у вироби складної конфігурації. Обовязковим компонентом усіх пластмас, крім полімерів {органічних сполук
19593. Перспективи вдосконалення технологій міжнародного маркетингу на ринку шоу-бізнесу 199.68 KB
  Ринок послуг є різновидом товарного ринку і разом з цим, має ряд специфічних рис, що зумовлює особливий підхід до підприємницької та маркетингової діяльності, покликаної забезпечити задоволення попиту на послуги.
19594. Методи проектування. Художнє конструювання виробів 51.5 KB
  Тема 1.2: Методи проектування. Художнє конструювання виробів. Мета: Навчальна: сформувати знання з даної теми. Виховна: виховувати в учнів культуру праці. Розвиваюча: розвивати у школярів спеціальні здібності сприяти розвитку технічного мислення. Об’...
19595. Вивчення універсального осцилографу С1-73 2.29 MB
  Універсальний осцилограф, призначений для вивчення форм електронних сигналів в діапазоні частот 0 – 5 МГц шляхом візуального спостереження и вимірювання їх амплітуд у діапазоні 0,02 – 120 В, часових інтервалів від 0,4 10-6 до 0,5 с.