ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ

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).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ

- расщепление спектральных линий и уровней энергии атомов, молекул и кристаллов в магн. поле. Наблюдается на спектральных линиях испускания и поглощения.

Рис. 1. Схема наблюдения эффекта Зеемана: М - магнит; И - источник линейчатого спектра; пластинка l/4, Л - линза, П - поляриметры: служат для определения характера поляризации; С - спектральный прибор.

3. э. на линиях поглощения часто наз. обратным. Впервые обнаружен П. Зееманом (P. Zeeman) в 1896 при исследовании спектров испускания натрия. В 1897 X. Лоренц (Н. A. Lorentz) разработал первую теорию3. э. на основе классич. электродинамики, полное объяснение 3. э. даёт квантовая механика. <В результате 3. э. спектральная линия, испускаемая веществом, в магн. поле расщепляется на неск. зеемановских компонент (зеемановское расщепление). Характер расщепления и поляризации компонент зависят от направления наблюдения. В случае т. н. простого (или нормального) 3. э. при наблюдении в направлении, перпендикулярном магн. полю (рис. 1), получаются три линейно поляризованные компоненты - несмещённая p-компонента, поляризованная вдоль поля, и две симметрично от неё расположенные s-компоненты, поляризованные перпендикулярно полю (зеемановский триплет;рис. 2).

Рис. 2. Расщепление спектральных линий при простом эффекте Зеемана: вверху-без поля; в середине - при поперечном наблюдении в магнитном поле - триплет с частотами n₀-Dn, n₀, n₀+Dn, линии линейно поляризованы (направление указано стрелками); внизу-продольное наблюдение в магн. поле-дублет с частотами n₀-Dn и n₀+Dn, линии поляризованы по кругу в плоскости, перпендикулярной направлению поля.

При наблюдении вдоль поля получается дублет - две компоненты с круговой поляризацией, направленной в противоположные стороны. В общем случае сложного (или аномального) 3. э. вместо каждой из компонент наблюдаются группы равноотстоящих линий, причём в целом картина расщепления остаётся симметричной относительно первоначальной несмещённой линии. Число линий сложного зеемановского расщепления может достигать неск. десятков. <При исследовании 3. э. применяют спектральные приборы с высокой разрешающей способностью, т. к. величина расщепления мала: для магн. полей с напряжённостью H~2.10⁴ Э она составляет сотые нм. <Энергия атома, находящегося в магн. поле H и имеющего магн. момент m, равна:

где E₀- энергия этого атома в отсутствие поля, m_H - проекция магн. момента атома на направление поля,- m_HH - дополнит. энергия, к-рую приобретает атом в магн. поле. Полный магн. момент атома связан с его механич. моментом М:
m = - g(e/2m_ec) M,
где g - Ланде множитель, е и т _е - заряд и масса электрона. Проекция М _H на направление H квантована, т. е. может принимать лишь дискретные значения M_H = mh/2p, где т= J, J-1, . . ., - J, а J - квантовое число, определяющее полный механич. момент атома. При данном J возможны 2J + 1 разд. значений т. В результате энергия атома в магн. поле равна:

величина m _Б = еh/2m _е с наз. магнетоном Бора. Т. о., уровень энергии атома с данным J вмагн. поле расщепляется на 2J+1 компонент, отстоящих друг от друга на расстоянии gm _БH. Расщепление спектральных линий определяется расщеплением комбинирующих уровней энергии в мат. поле и отбора правилом для магн. квантового числа т:Dm=0, b1,причём при квантовых переходах, соответствующих Dm = 0, получаются p-компоненты, а при Dm= b1 - s-ком-поненты (рис. 3).Частоты n компонент спектральной линии с частотой n₀ определяются ф-лой:

где E_i,E_k и g_i, g_k - энергии и множители Ланде комбинирующих уровней энергии соответственно. При Dm= m_i- m_k = 0 получим:

(p-компоненты). При Dm=61 -

(s-компоненты). В частном случае g_i=g_k получается простой 3. в. <Распределение интенсивности I в картине зеемановского расщепления симметрично относительно n₀. Значения интенсивностей I oтд. компонент определяются значениями Dm и DJ:

( С и С' - константы). Интенсивности I не зависят от типа связи моментов в атоме. Сумма интенсивностей компонент, возникающих ори переходах с уровня, определяемого значением m, на уровни с т-1, т, m+1 не зависит от т (правило сумм интенсивностой для 3. э.); сумма интенсивностей всех p-компонент равна сумме интенсивностей всех s-компонент. <Исследование картины зеемановского расщепления позволяет определять значения J_i и J_k и др. характеристики комбинирующих уровней энергии, что имеет большое значение для интерпретации атомных спектров.

Рис. 3. Расщепление уровней энергии (а) и спектральных линий (б) в сложном эффекте Зеемана при J_i =2, g_i = 7/6 и J_k=1, g_k = 3/2. Стрелками указаны квантовые переходы, разрешённые правилами отбора. Длина штриха на рис. бсоответствует интенсивности соответствующей компоненты.

Рассмотренная картина расщепления получается в том случае, когда расщепление под действием внеш. магн. поля мало по сравнению с тонким расщеплением (см. Тонкая структура), т. e. для относительно слабых магн. полей. С возрастанием напряжённости внеш. магн. поля характер расщепления меняется - сложный 3. э. приближается пo своему виду к простому. В очень сильных полях, для к-рых зеемановское расщепление превосходит тонкое, получается зеемановский триплет, каждая компонента к-рого имеет тонкую структуру - т. н. Пашена - Бака эффект (рис. 4). Дополнит. энергия уровня определяется в этом случае суммой взаимодействий спинового и орбитального магн. моментов (m_S и m_L ) атома с магн. полем и спин-орбитальным взаимодействием:

( А - константа, характеризующая спин-орбитальное взаимодействие, зависящая от S и L;m_SH и m_LH - проекции m_S и m_L на направление Н, т _S и m_L - соответствующие квантовые числа). В результате получаем:

Для получения расщепления спектральных линий нужно учесть правила отбора для квантовых переходовмежду комбинирующими уровнями: Dm_S =0 и Dm =0, b1.Наряду с переходами между зеемановскими подуровнями, принадлежащими разл. уровням энергии (3. э. на спектральных линиях), можно наблюдать магн. квантовые переходы между зеемановскими подуровнями одного и того же уровня.

Рис. 4. Изменение картины расщепления уровней энергии испектральной линии (внизу) в зависимости от напряжённостимагнитного поля.

Такие переходы происходят под действием излучения частоты n= (DE_{m + 1} - DE_m)/h, к-рая для обычных магн. полей лежит в СВЧ-диапазоне, что приводит к избират. поглощению радиоволн, наблюдаемому в парамагн. веществах в пост. магн. поле (см. Электронный парамагнитный резонанс, Магнитный резонанс).3. э. для молекулярных спектров имеет меньшее значение, т. к. расшифровка электронных переходов молекул производится гл. обр. по вращат. структуре спектров. Кроме того, наблюдение 3. э. в полосатых спектрах представляет большие экспериментальные трудности из-за сложности расщепления и близости вращательных линий друг к другу. 3. э. в молекулах исследуется методами радиоспектроскопии. В этом случае обычно исследуют молекулы в осн. электронном состоянии, в к-ром большинство молекул не обладает ни орбитальным, ни спиновым моментами; небольшой магн. момент молекулы в этом состоянии может быть обусловлен её вращением и магн. моментами ядер. В этих случаях 3. э. наблюдается в радиочастотном вращательном спектре. 3. э. наблюдается и в спектрах кристаллов, когда они имеют выраженную дискретную структуру. Для кристаллов особенное значение имеет наблюдение обратного 3. э.- в спектрах поглощения.3. э. применяется не только в спектроскопии, но и в устройствах квантовой электроники, в частности для измерения напряжённостей слабых магн. полей в лабораторных условиях и в космосе (см. Квантовый магнитометр). Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976, гл. 31; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Фриш С. Э., Оптические спектры атомов, М.- Л., 1963. М. А. Ельяшевич.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.