Часть 5 АТОМНАЯ ФИЗИКА

Раздел 15 СТРОЕНИЕ АТОМА

15.12. Эффекты Зеемана и Штарка

В 1896 г. П. Зеєман доказал, что, если поместить источник света между полюсами электромагнита, спектральные линии источника расщепляются на ряд компонентов.

Эффектом Зеемана называют расщепление спектральных линий и уровней энергии во внешнем магнитном поле.

При наблюдении излучения, которое распространяется перпендикулярно к направлению напряженности магнитного поля, линия ν₀ симметрично расщепляется на три компоненты с частотами ν₊₁, ν₀ и ν_-1. При этом все три компоненты линейно поляризованные. Для средней компоненты ν₀, которую называют π-компонентой, колебания электрического вектора направлены вдоль напряженности внешнего магнитного поля. Для крайних компонент ν₊₁ и ν_-1 (так называемая σ-компонента) колебания электрического вектора перпендикулярны к направлению .

При наблюдении излучения, которое распространяется вдоль направления магнитного поля, линия ν₀ исчезает, а крайние линии ν₊₁ и ν_-1 оказываются поляризованными по кругу с противоположными направлениями вращения. Такой тип расщепления спектральных линий называют нормальным, или простым эффектом Зеемана. Для него расстояние между средней и крайними линиями нормального триплета Δν₀ = ν₊₁ - ν₀ = ν₀ - ν_-1 оказывается такой, что

где магнетонов Бора; μ₀ - магнитная постоянная. Нормальный эффект Зеемана относительно легко наблюдается в спектрах щелочноземельных элементов, а также в спектрах Zn, С,d, Нg.

Нормальный эффект Зеемана объяснил еще X. Лоренц (1897 г.) на основе классической электронной теории. Квантово-механическая теория эффекта Зеемана основывается на анализе расщепления энергетического уровня излучающего электрона в атоме (рассматривается атом с одним излучательным электроном), который помещен в постоянное магнитное поле с напряженностью . В случае нормального эффекта Зеемана принято считать, что электрон имеет только орбитальный магнитный момент _m. В магнитном поле с индукцией электрон приобретает дополнительную энергии

где μ_mz - проекция магнитного момента на направление z магнитного поля. Исходя из формул (15.27) и (15.29), получим

где m_l - магнитное квантовое число.

Следовательно, дополнительная энергия, которой приобретает электрон атома в магнитном поле,

Магнетонов Бора μ_Б является единицей измерения электронных магнитных моментов. Аналогично этому величина μ₀μ_БH является единицей измерения расщепление энергетических уровней электронов в атомах, находящихся в магнитном поле. Эту величину, равную расщеплению уровня m_l = 1 за счет орбитального магнитного момента электрона, называют нормальным расщеплением. Если обозначить энергию электрона в атоме в некотором состоянии 1 в отсутствии магнитного поля W₁, а m₁ - магнитное квантовое число в этом состоянии и соответственно W₂ и m₂ -

энергия электрона и магнитное квантовое число в более высоком энергетическом состоянии, то полную энергию электрона в состоянии 1 и 2 при наличии внешнего магнитного поля можно записать так:

Частота оптического перехода между состояниями 2 и 1 будет

где ν₀ - частота спектральной линии в отсутствии внешнего магнитного поля. По правилу отбора для магнитного квантового числа, при переходах между разрешенными уровнями Δm_l= m₂ - m₁ = +1, 0, -1. Поэтому частоты нормального триплета Зеемана имеют следующие значения:

Эти значения совпадают с опытом в случае сильных магнитных полей. Критерий сильного и слабого магнитного поля в эффекте Зеемана связан с нормальным расщеплением μ₀μ_БH. Если эта величина намного превышает разницу между энергиями двух энергетических уровней i-го и j-го в отсутствии магнитного поля

то магнитное поле считают сильным (W_i и W_j - энергии двух уровней в атоме). Магнитное поле, удовлетворяющее противоположную условие называют слабым.

В слабом магнитном поле наблюдается аномальный или сложный эффект Зеемана. В этом случае спектральные линии расщепляются на несколько компонент, которые относятся по своей поляризацией или к π- или σ-компонент. Аномальный эффект Зеемана достал свое толкование после обнаружения спина электрона. При объяснении нормального эффекта Зеемана берется во внимание только орбитальный магнитный момент электрона. Наличие у электрона спина и собственного магнитного момента усложняет картину расщепление энергетических уровней и спектральных линий в магнитном поле.

При увеличении напряженности магнитного поля взаимодействие между орбитальным и спіновим моментами становится все менее существенной по сравнению с взаимодействием каждого из них отдельно с внешним полем. Расщепление спектральных линий при этом растет и постепенно начинают сливаться компоненты мультиплетів соседних спектральных линий. В сильном магнитном поле из всех компонент мультиплетів остаются три линии для нормального (продольного) эффекта Зеемана. Переход от аномального к нормальному эффекта Зеемана при увеличении напряженности внешнего магнитного поля называют эффектом Пашена - Бака.

В 1913 г. И. Штарк открыл явление расщепления спектральных линий в электрическом поле для бальмерівської серии водорода. Это явление расщепления энергетических уровней и спектральных линий под действием на вещество внешнего электрического поля называют эффектом Штарка. Влияние электрического поля на атом существенно зависит от того, имеет ли он электрический момент _l, такого момента нет. Если _l ≠ 0 (это условие выполняется, например, для состояний с n > 1 у атома водорода и гідрогеноподібних ионов), то во внешнем электрическом поле с напряженностью такой атом-диполь приобретает дополнительной энергии, которая пропорциональна напряженности поля,

Эта дополнительная энергия и вызывает линейный эффект Штарка.

Если дипольный электрический момент атома в отсутствие внешнего электрического поля равен нулю, то наблюдается квадратный эффект Штарка, при котором расщепление энергетических уровней и, соответственно, спектральных линий пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Причину этого явления можно объяснить так: под действием внешнего поля атомы поляризуются, причем в не очень сильном поле, индуцированный дипольный момент _l становится пропорциональным напряженности поля:

где α - поляризованість атома. Дополнительная энергия, которую приобретает атом в электрическом поле,

Эта энергия и вызывает квадратичное штарківське расщепление энергетических уровней и спектральных линий. Квадратичное расщепление гораздо меньше, чем расщепление в случае линейного эффекта Штарка.