загрузка...
загрузка...
На головну

ефект Зеемана

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

Прямий (звернений) ефект Зеемана полягає в розщепленні спектральних ліній випускається (поглинається) випромінювання, якщо випускають (поглинає) речовина знаходиться в магнітному полі. Ефект Зеемана обумовлений розщепленням енергетичних рівнів атомів або молекул в магнітному полі.

Ефект впливу магнітного поля на випромінювання атомів, виявлений в 1896 р голландським вченим Пітером Зееманом і пізніше теоретично був пояснений Хендріком Лоренцом.

Суть даного явища полягає в тому, що в магнітному полі в результаті дії сил Лоренца на що обертаються навколо ядра атома електрони відбувається розщеплення випромінювання атомів, в результаті чого з'являються дві бічні частоти.

 
 

Мал. 5.4 Спектр випромінювання (поглинання) речовин в магнітному полі.

, (5.1)

 (5.2) -ліяній магнітного поля на випромінювання атомів.

Повне пояснення ефекту Зеемана дає квантова теорія.

Атом, володіє магнітним моментом, який пов'язаний з механічним моментом кількості руху і може орієнтуватися в магнітному полі лише певним чином. Число можливих орієнтацій дорівнює ступеню виродження рівня енергії, т. Е. Кількістю можливих станів атома з даною енергією. У звичайних магнітних полях частоти таких переходів відповідають СВЧ - діапазону. Це призводить до виборчого поглинання радіохвиль, яке можна спостерігати в парамагнітних речовинах, поміщених в постійне магнітне поле.

Ефект Зеемана спостерігається і в молекулярних спектрах, проте розшифрувати такі спектри значно важче, ніж атомні. Крім того, спостереження ефекту в молекулярних спектрах представляє великі експериментальні труднощі через складність картини розщеплення і перекриття молекулярних спектральних смуг. Даний ефект можна спостерігати також і в спектрах кристалів (зазвичай в спектрах поглинання).

Ефект Зеемана застосовується не тільки в спектроскопії для дослідження тонкої структури речовини, але і в пристроях квантової електроніки, для вимірювання магнітних полів в лабораторних умовах, а також магнітних полів космічних об'єктів.

Цей ефект зіграв важливу роль у розвитку атомної теорії. Він показав, що випускання світла атомом пов'язано з рухом його електронів, а пізніше дав можливість детально і з високою точністю перевірити правильність квантової механіки - основи сучасної атомної теорії.

У 1862, вважаючи, що магнітне поле повинно впливати не тільки на поширення світла, а й на його випускання, Фарадей досліджував спектр сонячного світла полум'я, що містить пари натрію, який міститься між полюсами магніту, але не виявив очікуваного ефекту. Однак в 1896 голландський фізик П. Земан (1865-1943), який працював в Лейдені, повторив його спробу, застосувавши більш досконалий метод. Він виявив, що при накладенні поля кожна з ліній жовтого дублети спектра натрію (так званих D-ліній) уширяется (т. Е. Збільшується смуга випускаються частот).

Теоретичне пояснення явища було дано співвітчизником Зеемана, теоретиком Х. Лоренцо. Суть його міркувань можна коротко викласти, розглядаючи прості випадки. Припустимо спочатку, що заряд е рухається в випромінюють атомі по колу, площина якої перпендикулярна магнітному полю В. Для простоти припустимо, що сила, що зв'язує заряд з атомом, пропорційна відстані r від центра кола. (Це припущення не має принципового значення, але спрощує обчислення.) За відсутності поля В, прирівнявши відцентрову силу інерції центростремительной силі, отримаємо

звідки знаходимо частоту звернення заряду:

Якщо накладено поле В, то воно діє на заряд з силою evB, яка змушує його рухатися з площини малюнка. При цьому повна сила, що діє на заряд, дорівнює mv2 / r + evB; отже,

Ефект можна спостерігати за допомогою спектроскопа, встановленого в положення D1 або D2, якщо заряд випромінює, рухаючись по колу, між північним і південним полюсами магніту.

Наближене рішення цього рівняння, справедливе при всіх значеннях індукції В, крім екстремальних, має вигляд

-1560 (4) vчас = v0 - eB / 4m,

де індекс «годину» вказує на те, що обертання, що спостерігається з позиції D2, відбувається за годинниковою стрілкою. Якби заряд обертався проти годинникової стрілки, то дія поля B було б протилежним і

Нарешті, якщо площину обертання паралельна магнітному полю, то останнє не впливає на частоту звернення.

Розглянемо тепер нагрітий до світіння газ, в якому є всі три типи рухомих по орбітах електронів, а також проміжні орієнтації. Припустимо, що спектроскоп розташований в точці D1. Орбітах з рухом електронів за годинниковою стрілкою і проти годинникової стрілки буде відповідати плоско-поляризоване світло з частотами vчас і vпротів. Якщо площину орбіти збігається з напрямком поля, то частота світла залишиться незмінною. Таким чином, будуть спостерігатися три спектральні лінії. Якщо просвердлити отвір в полюсному наконечнику магніту, то можна спостерігати світло в напрямку D2. Проведений вище аналіз показує, що в цьому напрямку можна спостерігати дві компоненти - циркулярно-поляризовані за годинниковою стрілкою і проти годинникової стрілки, з частотами vчас і vпротів. Перші грубі вимірювання підтвердили ці теоретичні передбачення. Земан виявив, що vпротів менше vчас. Відповідно до формул (4) і (5), це свідчить про те, що обертаються негативні заряди, а на підставі виміряного розширення вихідної лінії Земан зробив висновок, що відношення заряду частинки до її маси складає приблизно Кл / кг. За кілька років до цього Дж. Томсон, вивчаючи процеси в газорозрядних трубках, виявив частинки, пізніше названі електронами, і встановив наявність у них негативного заряду, причому ставлення їх заряду до маси становило Кл / кг. Оскільки, крім електрона, не існує інших частинок з близькими значеннями відношення заряду до маси, саме електрони (хоча вони і складають незначну частку маси всього атома) відповідальні за випускання світла. Це надзвичайно важливе відкриття підготувало ґрунт для розробки теорії електронної будови атомів, яка, починаючи з вкладу Резерфорда і Бора в 1911 і 1912, розвивалася, перетворившись в сучасну загальновизнану теорію атома. Але як тільки було усвідомлено важливість значення відкриття Зеемана, стали виникати труднощі. У 1898 Т. Престон повідомив про те, що деякі спектральні лінії цинку і кадмію розщеплюються на чотири компоненти, а незабаром А. Корню виявив, що з двох D-ліній натрію, з якими експериментували Фарадей і Земан, одна розщеплюється на чотири, а інша - на шість компонент. У 1911 К. Рунге і Ф. Ріллей встановили, що інтенсивна зелена лінія в спектрі ртуті розщеплюється на 11 компонент. Спочатку таке сильне розщеплення було сприйнято як «аномальний ефект Зеемана». Але незабаром стало ясно, що «нормальний ефект Зеемана» з розщепленням на три компоненти сам є винятком, і виникла необхідність подальшого уточнення теорії Лоренца.

А. Ланде з Тюбінгена знайшов в 1923 (проаналізувавши експериментальні дані для великого числа окремих випадків) складну загальну формулу, яка дозволяла точно розрахувати ефект Зеемана для будь-якої спектральної лінії. Причина, по якій для опису простих явищ, що виникають при русі атомного електрона в магнітному полі, необхідна настільки складна формула, стала ясна після відкриття, зробленого в 1925 С. Гаудсмитом і Дж. Уленбеком. Вони виявили, що електрон поводиться на зразок дзиги, обертаючись навколо власної осі. Електродинаміка показує, що такий електрон повинен вести себе як маленький магніт і що саме подвійне взаємодія з магнітним полем орбітального моменту в атомі і спина призводить до складної динамічної картині.

У 1926 В. Гейзенберг і П. Йордан, користуючись методами квантової механіки, проаналізували ефект Зеемана і вивели формулу Ланде з основних принципів теорії. Це вичерпне пояснення ефекту Зеемана стало одним з перших тріумфів нової атомної теорії. Сучасні наукові методи дозволяють використовувати ефект Зеемана для ідентифікації атомних і ядерних станів. Формули типу формули Ланде, що зв'язують зєємановських розщеплення в спектрах атомів, молекул і ядер з їх обертовим рухом, дозволяють за даними вимірювання ефекту Зеемана в спектрах, обумовленого невідомими атомними конфігураціями, з'ясовувати характер цих змін. Ефект Зеемана зазвичай досліджують методами спектроскопії або методами атомних і молекулярних пучків.

У астрофізиці ефект Зеемана використовується для визначення магнітних полів космічних об'єктів.

При вимірах магнітних полів зірок зєємановських розщеплення спектральних ліній зазвичай спостерігається в поглинанні. Поздовжній компонент магнітного поля виміряно у кількох сотень зірок різних спектральних класів. З'ясовано, що індукція магнітного. поля на поверхні т. н. магнітних зірок досягає декількох тисяч Гс, а у зірки HD 215441 спостерігається сильне поле Гс. Дуже сильні магнітні поля, що перевершують 10 Гс, виявлені за ефектом Зеемана у кількох вироджених зірок - білих карликів.

Мал. 4. Нормальний ефект Зеемана;

стрілками позначена поляризація
 компонентів, - Частота вихідної
 лінії, и -
 частоти -компонента.

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

Читайте також:

Зв'язок понять квантових і класичних коливальних систем

Порівняльний аналіз аналітичних можливостей різних типів иммуносенсор

Оптичні иммуносенсор

Перетворення енергії подразника в рецепторах. Рецепторний потенціал. Абсолютний поріг. Тривалість відчуття. Адаптація рецепторів.

СКВІД на змінному струмі

Вимірювальна частина СКВИДа

Пристрої формування і стиснення складних сигналів на ПАР

література

Застосування використання MEMS в телекомунікаціях

Ефект квант-екситонного взаємодії

Застосування явища надпровідності в вимірювальної техніки

Повернутися в зміст: фізичні явища

Всі підручники

© om.net.ua