Ефекти Зеємана і Штарка



ФІЗИКА

Частина 5 АТОМНА ФІЗИКА

Розділ 15 БУДОВА АТОМА

15.12. Ефекти Зеємана і Штарка

У 1896 р. П. Зеєман довів, що, коли помістити джерело світла між полюсами електромагніту, спектральні лінії джерела розщеплюються на ряд компонентів.

Ефектом Зеємана називають розщеплення спектральних ліній і рівнів енергії в зовнішньому магнітному полі.

При спостереженні випромінювання, яке поширюється перпендикулярно до напряму напруженості Ефекти Зеємана і Штарка магнітного поля, лінія ν0 симетрично розщеплюється на три компоненти

з частотами ν+1, ν0 і ν-1. При цьому всі три компоненти лінійно поляризовані. Для середньої компоненти ν0, яку називають π-компонентою, коливання електричного вектора Ефекти Зеємана і Штарка напрямлені вздовж напруженості Ефекти Зеємана і Штарка зовнішнього магнітного поля. Для крайніх компонент ν+1 і ν-1 (так звана σ-компонента) коливання електричного вектора Ефекти Зеємана і Штарка перпендикулярні до напряму Ефекти Зеємана і Штарка.

При спостереженні випромінювання, яке поширюється вздовж напряму магнітного поля, лінія ν0 зникає, а крайні лінії ν+1 і ν-1 виявляються поляризованими по колу

з протилежними напрямами обертання. Такий тип розщеплення спектральних ліній називають нормальним, або простим, ефектом Зеємана. Для нього відстань між середньою і крайніми лініями нормального триплету Δν0 = ν+1 – ν0 = ν0 – ν-1 виявляється такою, що

Ефекти Зеємана і Штарка

Де Ефекти Зеємана і Штарка магнетон Бора; μ0 – магнітна стала. Нормальний ефект Зеємана відносно легко спостерігається в спектрах лужноземельних елементів, а також у спектрах Zn, Сd, Нg.

Нормальний ефект Зеємана пояснив ще X. Лоренц (1897 р.) на основі класичної електронної теорії. Квантово-механічна теорія ефекту Зеємана грунтується на аналізі розщеплення енергетичного рівня випромінювального електрона в атомі (розглядається атом з одним випромінювальним електроном), який вміщено в постійне магнітне поле з напруженістю Ефекти Зеємана і Штарка. У випадку нормального ефекту Зеємана прийнято вважати, що електрон має тільки орбітальний магнітний момент Ефекти Зеємана і ШтаркаM. У магнітному полі з індукцією Ефекти Зеємана і Штарка електрон набуває додаткової енергії

Ефекти Зеємана і Штарка

Де μmz – проекція магнітного моменту на напрям z магнітного поля. Виходячи з формул (15.27) і (15.29), дістанемо

Ефекти Зеємана і Штарка

Де ml – магнітне квантове число.

Отже, додаткова енергія, якої набуває електрон атома в магнітному полі,

Ефекти Зеємана і Штарка

Магнетон Бора μБ є одиницею виміру електронних магнітних моментів. Аналогічно цьому величина μ0μБH є одиницею виміру розщеплення енергетичних рівнів електронів у атомах, що перебувають у магнітному полі. Цю величину, що дорівнює розщепленню рівня ml = 1 за рахунок орбітального магнітного моменту електрона, називають нормальним розщепленням. Якщо позначити енергію електрона в атомі в деякому стані 1 у відсутності магнітного поля W1, а m1 – магнітне квантове число в цьому стані і відповідно W2 і m2 –

Енергія електрона і магнітне квантове число в більш високому енергетичному стані, то повну енергію електрона в стані 1 і 2 за наявності зовнішнього магнітного поля можна записати так:

Ефекти Зеємана і Штарка

Частота оптичного переходу між станами 2 і 1 буде

Ефекти Зеємана і Штарка

Де ν0 – частота спектральної лінії у відсутності зовнішнього магнітного поля. За правилом добору для магнітного квантового числа, при переходах між дозволеними рівнями Δml= m2 – m1 = +1, 0, -1. Тому частоти нормального триплету Зеємана мають такі значення:

Ефекти Зеємана і Штарка

Ці значення збігаються з дослідом у разі сильних магнітних полів. Критерій сильного і слабкого магнітного поля в ефекті Зеємана пов’язаний з нормальним розщепленням μ0μБH. Якщо ця величина набагато перевищує різницю між енергіями двох енергетичних рівнів i-го і j-го у відсутності магнітного поля

Ефекти Зеємана і Штарка

То магнітне поле вважають сильним (Wi і Wj – енергії двох рівнів у атомі). Магнітне поле, що задовольняє протилежну умову Ефекти Зеємана і Штарка називають слабким.

У слабкому магнітному полі спостерігається аномальний або складний ефект Зеємана. У цьому разі спектральні лінії розщеплюються на кілька компонент, які належать за своєю поляризацією або до π-, або до σ-компонент. Аномальний ефект Зеємана дістав своє тлумачення після виявлення спіну електрона. При поясненні нормального ефекту Зеємана береться до уваги лише орбітальний магнітний момент електрона. Наявність у електрона спіну і власного магнітного моменту ускладнює картину розщеплення енергетичних рівнів і спектральних ліній у магнітному полі.

При збільшенні напруженості магнітного поля взаємодія між орбітальним та спіновим моментами стає все менш істотною порівняно із взаємодією кожного з них окремо із зовнішнім полем. Розщеплення спектральних ліній при цьому зростає і поступово починають зливатися компоненти мультиплетів сусідніх спектральних ліній. У сильному магнітному полі з усіх компонент мультиплетів залишаються три лінії для нормального (поздовжнього) ефекту Зеємана. Перехід від аномального до нормального ефекту Зеємана при збільшенні напруженості зовнішнього магнітного поля називають ефектом Пашена – Бака.

У 1913 р. Й. Штарк відкрив явище розщеплення спектральних ліній в електричному полі для бальмерівської серії гідрогену. Це явище розщеплення енергетичних рівнів і спектральних ліній під дією на речовину зовнішнього електричного поля називають ефектом Штарка. Вплив електричного поля на атом істотно залежить від того, чи має він електричний момент Ефекти Зеємана і ШтаркаL, чи такого моменту немає. Якщо Ефекти Зеємана і ШтаркаL ≠ 0 (ця умова виконується, наприклад, для станів з n > 1 у атома гідрогену і гідрогеноподібних йонів), то у зовнішньому електричному полі з напруженістю Ефекти Зеємана і Штарка такий атом-диполь набуває додаткової енергії, яка пропорційна напруженості поля,

Ефекти Зеємана і Штарка

Ця додаткова енергія і спричинює лінійний ефект Штарка.

Якщо дипольний електричний момент атома у відсутності зовнішнього електричного поля дорівнює нулю, то спостерігається квадратний ефект Штарка, при якому розщеплення енергетичних рівнів і відповідно спектральних ліній пропорційне квадрату напруженості електричного поля. Причину цього явища можна пояснити так: під дією зовнішнього поля атоми поляризуються, причому в не дуже сильному полі, індукований дипольний момент Ефекти Зеємана і ШтаркаL стає пропорційним напруженості поля:

Ефекти Зеємана і Штарка

Де α – поляризованість атома. Додаткова енергія, якої набуває атом в електричному полі,

Ефекти Зеємана і Штарка

Ця енергія і спричинює квадратичне штарківське розщеплення енергетичних рівнів і спектральних ліній. Квадратичне розщеплення набагато менше, ніж розщеплення у випадку лінійного ефекту Штарка.


1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (No Ratings Yet)
Loading...


Прислівники разом окремо через дефіс.
Ви зараз читаєте: Ефекти Зеємана і Штарка