«Зеемана эффект»

расщепление спектральных линий под действием магнитного поля. Открыто в 1896 П. Зееманом при исследовании свечения паров натрия в магнитном поле. Для наблюдения З. э. источник света, испускающий линейчатый спектр, располагается между полюсами мощного электромагнита (рис. 1). При этом каждая спектральная линия расщепляется на несколько составляющих. Расщепление весьма незначительно (для магнитных полей Зеемана эффект 20 кэ составляет несколько десятых Å), поэтому для наблюдения З. э. применяют спектральные приборы с высокой разрешающей способностью.

Все компоненты зеемановского расщепления поляризованы (см. Поляризация света). Картина расщепления и поляризация компонент зависят от направления наблюдения. В простейшем случае в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля (поперечный З. э.), обнаруживаются (рис. 2) 3 линии: несмещенная π-компонента, поляризованная по направлению поля, и 2 симметрично по отношению к ней расположенные σ-компоненты, поляризованные перпендикулярно полю. При наблюдении в направлении поля (продольный З. э.) остаются только σ-компоненты, поляризованные в этом случае по кругу.

Первое объяснение З. э. дал Г. Лоренц в 1897. Он рассматривал электрон в атоме как гармонический осциллятор частоты излучающий в отсутствие внешнего поля спектральную линию этой частоты. В однородном внешнем магнитном поле Н движение линейно колеблющегося электрона можно разложить на линейное колебание вдоль направления поля и два круговых колебания (с противоположными направлениями вращения) в плоскости, перпендикулярной Н (рис. 3). На линейное колебание поле Н не действует, и его частота остаётся равной v₀; частоты круговых составляющих изменяются, т.к. электрон в магнитном поле получает дополнит. вращение вокруг направления магнитного поля с частотой Δv = ¹/₄π(e/m_e)Н,где е/м_е — отношение заряда электрона к его массе (см. Лармора прецессия). Частоты этих колебаний становятся равными v₁ = v₀ + Δv и v₂ =v_o — Δv. Т. о., атом в магнитном поле испускает 3 линии с частотами v₀, v₁ и v₂ (зеемановский триплет). Такая картина расщепления — простой (или нормальный) З. э. — получается только для одиночных спектральных линий (см. Атомные спектры), а также в предельном случае очень сильных магнитных полей (эффект Пашена — Бака). Как правило, наблюдается более сложная картина: спектральная линия расщепляется на большее число компонент с различными значениями Δv — сложный (или аномальный) З. э.; получается спектральная группа равноотстоящих π-компонент и две симметрично от неё расположенные группы равноотстоящих σ-компонент.

Полное объяснение З. э. даёт квантовая теория. Квантовая система, например атом, обладает магнитным моментом μ, который связан с механическим моментом количества движения М и может ориентироваться в магнитном поле только определённым образом. Число возможных ориентаций μ равно степени вырождения уровня энергии (см. Вырождение), т. е. числу возможных состояний атома с данной энергией Е. В магнитном поле каждой ориентации μ соответствует своя дополнительная энергия ΔЕ. Это приводит к снятию вырождения — уровень расщепляется.

Дополнительная энергия ΔE пропорциональна величине напряжённости поля Н:

E=-μ_HH,

где μ_H — проекция μ на направление поля Н. В магнитном поле μ_H принимает дискретные значения, равные — gμ_Бm,где g —Ланде множитель, μ_Б — магнетон Бора, m —магнитное квантовое число (m = J; J—1,... —J, где J — квантовое число, определяющее возможные значения М; см. Квантовые числа).В результате дополнительная энергия

ΔE_m = -μ_HH= gμ_БН·m

различна для различных магнитных квантовых чисел и уровень энергии Е расщепляется на 2J+ 1 равноотстоящих зеемановских подуровней. Расстояние между соседними подуровнями Em иЕ_m+1 равно:

δ = ΔE_m+1-ΔEm=gμ_БН= gΔE₀

где ΔЕ₀ = μ_БН -величина т. н. нормального расщепления.

Если для уровней E₁ и E₂, между которыми происходит квантовый переход, g₁ = g₂, то расщепление спектральной линии в магнитном поле представляет собой зеемановский триплет. Если g₁ ≠ g₂, получается сложный З. э.

Исследование картины З. э. Позволяет определять характеристики уровней энергии различных атомов. Наряду с квантовыми переходами между зеемановскими подуровнями различных уровней энергии (З. э. на спектральных линиях) можно наблюдать магнитные квантовые переходы между зеемановскими подуровнями одного и того же уровня. Такие переходы происходят под действием излучения частоты

(h —Планка постоянная). В обычных магнитных полях частоты таких переходов соответствуют СВЧ-диапазону. Это приводит к избирательному поглощению радиоволн, которое можно наблюдать в парамагнитных веществах, помещенных в постоянное магнитное поле (см. Магнитный резонанс, Квантовый усилитель, Электронный парамагнитный резонанс).

З. э. наблюдается и в молекулярных спектрах, однако расшифровать такие спектры значительно труднее, чем атомные. Кроме того, наблюдение З. э. в молекулярных спектрах представляет большие экспериментальные трудности из-за сложности картины расщепления и перекрытия молекулярных спектральных полос. З. э. можно наблюдать также и в спектрах кристаллов (обычно в спектрах поглощения).

З. э. применяется не только в спектроскопии для исследования тонкой структуры вещества, но и в устройствах квантовой электроники и для измерения магнитных полей в лабораторных условиях и магнитных полей космических объектов.

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Герцберг Г., Спектры и строение двухатомных молекул, пер. с англ., М., 1949.

М. А. Ельяшевич.

Рис. 1. Схема наблюдения эффекта Зеемана. Источник линейчатого спектра И расположен между полюсами электромагнита М, сердечник которого просверлён для обеспечения наблюдения вдоль поля. Линзы Л, поляроиды П и пластинка в 1/4 длины волны служат для определения характера поляризации; С — спектроскоп.

Рис. 2. Простой эффект Зеемана: вверху — без поля, линия v₀ не поляризована; в середине — при поперечном наблюдении в магнитном поле — триплет с частотами v₁, v₀, v₂ линии поляризованы линейно (направление поляризации показано стрелками); внизу — при продольном наблюдении — дублет с частотами v₁,v₂, линии поляризованы по кругу в плоскости, перпендикулярной магнитному полю; v₁ = v0 + Δv, v₂ = v₀ - Δv

Рис. 3. Разложение гармонического осциллятора l на линейные осцилляторы l_II — вдоль направления поля и l_⊥ — перпендикулярный полю. Осциллятор l_⊥ разлагается на два круговых с противоположными направлениями вращения.

ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ - расщепление уровней энергии и спектральных линий атома и других атомных систем в магнитном поле. Во внешнем магнитном поле атомная система, обладающая магнитным моментом, приобретает дополнительную энергию и ее уровни энергии и, следовательно, спектральные линии расщепляются. Открыт в 1896 Питером Зееманом.

ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ, расщепление уровней энергии и спектральных линий атома и других атомных систем в магнитном поле. Открыт голландским физиком П. Зееманом в 1896.

ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ

расщепление уровней энергии и спектр. линий атома и др. ат. систем в магн. поле. Открыт в 1896 голл. физиком П. Зееманом (P. Zeemaii) при исследовании свечения паров натрия в магн. поле. Под действием магн. поля уровни энергии расщепляются на зеемановские подуровни; при переходах между подуровнями уровней?i и?k вместо одной спектр. линии появляется неск. поляризованных компонент. Для одиночных спектр. линий в направлении, перпендикулярном направлению напряжённости магн. поля Н (рис. 1), наблюдается зеемановский триплет — несмещённая относительно первичной линии p-компонента, поляризованная в направлении Н, и две симметричные относительно неё s-компоненты, поляризованные перпендикулярно Н (простой, или нормальный, З. э., рис. 2).

Рис. 1. Схема наблюдения эффекта Зеемана: И — источник излучения, расположенный между полюсами магнита М; линзы Л, поляроиды П, пластинка в 1/4 Длины волны l служат для определения хар-ра поляризации; С — спектрометр.

Для дублетов и мультиплетов высших порядков наблюдается сложная картина расщепления: появляется неск. равноотстоящих друг от друга p-компонент и две симметричные относительно них группы s-компонент (аномальный, или сложный, З. э.).

Рис. 2. Простой эффект Зеемана: а — без поля (n0 — частота, соответствующая исследуемой неполяризованной спектр. линии); б — зеемановский триплет (направление наблюдения перпендикулярно полю); в — s-компоненты (при наблюдении вдоль поля). Стрелками показано направление поляризации, n1 и n2 — частоты s-компонент.

Величина расщепления пропорц. Н и относительно мала (для Н =20 кЭ она порядка десятых долей А). В сильных магн. полях (полях, вызывающих расщепление порядка мультиплетного и выше) вместо сложного З. э. наблюдается зеемановский триплет (Пашена — Бака эффект).

З. э. обусловлен наличием у квант. системы (напр., атома) магн. момента m, к-рый связан с механич. моментом М атома и может ориентироваться в пр-ве лишь определ. образом. Число возможных ориентации момента m равно степени вырождения уровня энергии. Каждой проекции (mH магн. момента m на направление Н соответствует своя дополнит. энергия D?=-mHH, что приводит к снятию вырождения — уровень расщепляется. Т. к. mH принимает значения mH=gmБm (где g— Ланде множитель, mБ— магнетон Бора, m — магн. квантовое число), то значения D?=gmБHm для разл. m различны. Расстояние между соседними подуровнями d=-gmБH=gD?0, где D?0=mБН — величина норм. расщепления. Если для уровней?i и?k расщепление одинаково (gi=gk), то наблюдается зеемановский триплет, если gi?gk,— сложный З. э.

Исследование картины зеемановского расщепления важно для изучения тонкой структуры атомов и др. ат. систем. Наряду с квант. переходами между зеемановскими подуровнями, принадлежащими разл. уровням энергии (З. э. на спектр. линиях), можно наблюдать магн. квант. переходы между подуровнями одного уровня энергии. Такие переходы происходят под действием излучения с частотами n=d/h (h — Планка постоянная), лежащими, как правило, в СВЧ диапазоне эл.-магн. волн. Это приводит к эффекту избират. поглощения радиоволн в парамагн. в-вах, помещённых в магн. поле,— к электронному парамагнитному резонансу. На основе этого эффекта созданы устройства квантовой электроники, в т. ч. приборы для прецизионного измерения слабых магн. полей (квантовые магнетометры).

З. э. наблюдается и в мол. спектрах, однако его наблюдение и расшифровка представляют большие трудности вледствие сложной картины расщепления и перекрытия в них спектр. полос. З. э. можно наблюдать и в спектрах кристаллов (обычно в спектрах поглощения).

расщепление линий атомных и молекулярных спектров под действием магнитного поля. Этот эффект сыграл важную роль в развитии атомной теории. Он показал, что испускание света атомом связано с движением его электронов, а позднее дал возможность детально и с высокой точностью проверить правильность квантовой механики - основы современной атомной теории. Одним из величайших открытий М.Фарадея (1791-1867) было то, что магнитное поле оказывает влияние на поляризацию светового пучка (так называемый эффект Фарадея). Свет представляет собой электрические и магнитные поля, распространяющиеся в пространстве в виде волн. Если электрическое поле Е колеблется в одной и той же плоскости, как показано на рис. 1, то направление распространения волны перпендикулярно направлению этих колебаний, а направление колебаний магнитного поля В перпендикулярно им обоим. Такого рода свет, испускаемый электрическим зарядом, колеблющимся по вертикали, называется плоско-поляризованным. Если же заряд, создающий излучение, движется по окружности, то электрическое поле распространяется в направлении перпендикуляра к плоскости окружности, описывая спираль, как показано на рис. 2 (аналогично ведет себя и магнитное поле, не показанное на рисунке). Свет такого рода называют светом с круговой поляризацией или циркулярно-поляризованным светом, причем свет заряда, движущегося по окружности, наблюдаемый в плоскости его движения, оказывается плоско-поляризованным. Открытие Фарадея, сделанное им в 1845 еще до того, как стала известной электромагнитная природа света, состояло в следующем: если плоско-поляризованный свет пропускать сквозь какое-либо из ряда известных прозрачных жидкостей и твердых веществ и одновременно параллельно оси пучка создавать сильное магнитное поле, то наблюдается поворот ("вращение") плоскости поляризации, причем угол поворота зависит от вещества, напряженности магнитного поля и пути светового пучка в веществе.

Рис. 1. ПЛОСКО-ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ. Если свет испускается малым электрическим зарядом, движущимся вверх и вниз, то электрическое поле Е лежит в плоскости рисунка. Магнитное поле В перпендикулярно полю Е.

Рис. 2. КРУГОВАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА. Если свет испускается малым зарядом, движущимся по окружности, то электрическое поле описывает спираль. Так же колеблется и магнитное поле (не показано).

В 1862, полагая, что магнитное поле должно влиять не только на распространение света, но и на его испускание, Фарадей исследовал спектр желтого света пламени, содержащего пары натрия, помещенного между полюсами магнита, но не обнаружил ожидаемого эффекта. Однако в 1896 голландский физик П.Зееман (1865-1943), работавший в Лейдене, повторил его попытку, применив более совершенный метод. Он обнаружил, что при наложении поля каждая из линий желтого дублета спектра натрия (так называемых D-линий) уширяется (т.е. увеличивается полоса испускаемых частот).

См. также

ОПТИКА;

СПЕКТРОСКОПИЯ. Теоретическое объяснение явления было дано соотечественником Зеемана, теоретиком Х. Лоренцом (1853-1928). Суть его рассуждений можно кратко изложить, рассматривая простые случаи. Допустим сначала, что заряд е движется в излучающем атоме по окружности, плоскость которой перпендикулярна магнитному полю В (рис. 3). Для простоты предположим, что сила, связывающая заряд с атомом, пропорциональна расстоянию r от центра окружности. (Это предположение не имеет принципиального значения, но упрощает вычисления.) В отсутствие поля В, приравняв центробежную силу инерции центростремительной силе, получим

откуда находим частоту обращения заряда:

Если наложено поле В, то оно действует на заряд с силой evB, заставляющей его двигаться из плоскости рисунка. При этом полная сила, действующая на заряд, равна mv2/r + evB; следовательно,

Рис. 3. ЭФФЕКТ ЗЕЕМАНА. Эффект можно наблюдать с помощью спектроскопа, установленного в положение D1 или D2, если заряд излучает, двигаясь по окружности, между северным и южным полюсами магнита.

Приближенное решение этого уравнения, справедливое при всех значениях индукции В, кроме экстремальных, имеет вид (4) vчас = v0 - eB/4pm, где индекс "час" указывает на то, что вращение, наблюдаемое с позиции D2, происходит по часовой стрелке. Если бы заряд вращался против часовой стрелки, то действие поля B было бы противоположным и

Наконец, если плоскость вращения параллельна магнитному полю, то последнее не влияет на частоту обращения. Рассмотрим теперь нагретый до свечения газ, в котором имеются все три типа движущихся по орбитам электронов, а также промежуточные ориентации. Предположим, что спектроскоп расположен в точке D1. Орбитам с движением электронов по часовой стрелке и против часовой стрелки будет соответствовать плоско-поляризованный свет с частотами vчас и vпротив. Если плоскость орбиты совпадает с направлением поля, то частота света останется неизменной. Таким образом, будут наблюдаться три спектральные линии. Если просверлить отверстие в полюсном наконечнике магнита, то можно наблюдать свет в направлении D2. Проведенный выше анализ показывает, что в этом направлении можно наблюдать две компоненты - циркулярно-поляризованные по часовой стрелке и против часовой стрелки, с частотами vчас и vпротив. Первые грубые измерения подтвердили эти теоретические предсказания. Зееман обнаружил, что vпротив меньше vчас. Согласно формулам (4) и (5), это свидетельствует о том, что вращаются отрицательные заряды, а на основании измеренного уширения исходной линии Зееман сделал вывод, что отношение заряда частицы к ее массе составляет примерно 1,6Ч1011 Кл/кг. За несколько лет до этого Дж.Томсон, изучая процессы в газоразрядных трубках, обнаружил частицы, позднее названные электронами, и установил наличие у них отрицательного заряда, причем отношение их заряда к массе составляло 1,7Ч1011 Кл/кг. Поскольку, кроме электрона, не существует других частиц с близкими значениями отношения заряда к массе, именно электроны (хотя они и составляют ничтожную долю массы всего атома) ответственны за испускание света. Это чрезвычайно важное открытие подготовило почву для разработки теории электронного строения атомов, которая, начиная с вклада Резерфорда и Бора в 1911 и 1912, развивалась, превратившись в современную общепризнанную теорию атома.

См. также

АТОМ;

АТОМА СТРОЕНИЕ. Но как только было осознано важное значение открытия Зеемана, стали возникать трудности. В 1898 Т.Престон сообщил о том, что некоторые спектральные линии цинка и кадмия расщепляются на четыре компоненты, а вскоре А.Корню обнаружил, что из двух D-линий натрия, с которыми экспериментировали Фарадей и Зееман, одна расщепляется на четыре, а другая - на шесть компонент. В 1911 К.Рунге и Ф.Пашен установили, что интенсивная зеленая линия в спектре ртути расщепляется на 11 компонент. Сначала столь сильное расщепление было воспринято как "аномальный эффект Зеемана". Но вскоре стало ясно, что "нормальный эффект Зеемана" с расщеплением на три компоненты сам представляет собой исключение, и возникла необходимость в дальнейшем уточнении теории Лоренца. А. Ланде из Тюбингена нашел в 1923 (проанализировав экспериментальные данные для большого числа частных случаев) сложную общую формулу, которая позволяла точно рассчитать эффект Зеемана для любой спектральной линии. Причина, по которой для описания простых явлений, возникающих при движении атомного электрона в магнитном поле, необходима столь сложная формула, стала ясна после открытия, сделанного в 1925 С. Гаудсмитом и Дж. Уленбеком. Они обнаружили, что электрон ведет себя наподобие волчка, вращаясь вокруг собственной оси. Электродинамика показывает, что такой электрон должен вести себя как маленький магнит и что именно двойное взаимодействие с магнитным полем орбитального момента в атоме и спина приводит к сложной динамической картине. В 1926 В. Гейзенберг и П. Иордан, пользуясь методами квантовой механики, проанализировали эффект Зеемана и вывели формулу Ланде из основных принципов теории. Это исчерпывающее объяснение эффекта Зеемана явилось одним из первых триумфов новой атомной теории. Современные научные методы позволяют использовать эффект Зеемана для идентификации атомных и ядерных состояний. Формулы типа формулы Ланде, связывающие зеемановское расщепление в спектрах атомов, молекул и ядер с их вращательным движением, позволяют по данным измерения эффекта Зеемана в спектрах, обусловленного неизвестными атомными конфигурациями, выяснять характер этих конфигураций. Эффект Зеемана обычно исследуют методами спектроскопии или методами атомных и молекулярных пучков.

См. также СПЕКТРОСКОПИЯ.

ЛИТЕРАТУРА

Ландсберг Г.С. Оптика. М., 1976

расщепление уровней энергии квантовой системы в магн. поле (снятие вырождения). Проявляется как расщепление спектральных линий атомов, молекул, кристаллов при квантовых переходах между возникшими подуровнями. Величина расщепления (расстояние между подуровнями) зависит от напряженности Н внеш. магн. поля. Как правило, в области, занимаемой атомом или молекулой, Н меняется настолько мало, что магн. поле может считаться однородным. Энергия Е ₀ квантовой системы в однородном магн. поле меняется на величину: