Эффекты Зеемана
Мы помогаем студентам с дипломными, курсовыми, контрольными Узнать стоимость

Эффекты Зеемана

    Определение 1

    Эффект Зеемана представляет собой явление расщепления спектральных линий в результате воздействия на излучающее вещество внешнего магнитного поля. Наблюдаемый в спектрах поглощения эффект Зеемана называется обратным. Все его закономерности аналогичны закономерностям в прямом эффекте, происходящем в линиях излучения.

    Рассматриваемое явление было в 1896 году открыто нидерландским физиком П. Зееманом в процессе лабораторных исследований, относящихся к свечению паров натрия.

    На рисунке 1 проиллюстрировано зеемановское расщепление пары близких спектров линий атома натрия, располагающихся в жёлтой части видимого спектра ( желтого дублета 5890 A и 5896 A). Картина расщепления обладает кардинальной зависимостью от направления наблюдения по отношению к направлению магнитного поля. Таким образом, существуют два вида эффекта Зеемана – продольный и поперечный. В условиях ортогонального магнитному полю наблюдения (поперечный Зеемана эффект), каждый из компонентов спектральных линий поляризован линейно (смотрите “Поляризация электромагнитных волн”), часть из
    них – параллельно полю H (π-компоненты), часть – под прямым углом (σ-компоненты).

    Для наблюдения вдоль поля (продольный эффект Зеемана), остаются видимыми лишь σ -компоненты, однако вместо линейной поляризации приходит круговая (смотрите рисунок 2).

    Распределение интенсивности в наблюдаемой системе компонентов становится сложным.

    Определение 2

    Первым ученым, объясняющим эффект Зеемана был нидерландский физик Х. Лоренц. Сделал это ученый в 1897 году в рамках классической теории, согласно которой движение электрона в атоме определяется в виде гармонии, то есть колебания линейного осциллятора. Согласно данной теории спектральная линия в условиях поперечного эффекта Зеемана расщепляется на три компонента. Такое явление было названо нормальным эффектом Зеемана, расщепление же линии на большее число компонентов определили как аномальное эффект Зеемана.

    Однако, в большей части случаев наблюдается как раз аномальный эффект. Исключением могут считаться переходы между синглетными уровнями, а кроме них случаи сильного магнитного поля (смотрите ниже).

    Полное объяснение эффекта Зеемана было получено на основе квантовой теории. Уровни энергии атома в магнитном поле претерпевают процесс расщепления на подуровни. Квантовые переходы между подуровнями пары уровней формируют компоненты спектральной линии. Механический момент количества движения J характеризует любой из энергетических уровней атома. Расщепление уровней основывается на том факте, что механический и магнитный моменты связаны друг с другом.

    μ=-μБgj, μБ=eh2mc,

    где e, m представляют собой заряд и массу электрона соответственно, μ является магнетоном Бора, a g – фактором Ланде. Смысл разделения коэффициента на два множителя объясняется ниже. Присутствие знака “минус” обусловливается отрицательностью заряда электрона. Энергия уровня претерпевает изменения по причине взаимодействия магнитного момента μ с полем H. Величина данного взаимодействия обладает зависимостью от взаимной ориентации μ и H. Вектор J в магнитном поле может иметь 2J+1 ориентации, при которых его проекция JH=M, где М представляет собой магнитное квантовое число. Оно может принимать значения 0, ±1,..., ±J. Такое же количество значений может иметь проекция μH магнитного момента μ на направление H. Именно эта причина провоцирует расщепление уровня на 2J+1 компонентов. Изменение энергии δε любого из компонентов по отношению к энергии уровня в отсутствие поля с учётом выражений μ=-μБgJ, μБ=eh2mc будет справедливо записать следующим образом:

    δε=-μНH=μБgMH.

    Механический момент атома суммируется из орбитального момента L и спинового момента S:

    J=L+S.

    То же самое относится и к магнитному моменту μ=μL+μS. Величина μL подобна магнитному моменту тока, появившегося в качестве результата действия орбитального движения электронов в атоме, и эквивалентна μБL. С величиной μS дело обстоит несколько сложнее по той причине, что спиновый момент S зависит от внутренней характеристики электронов, но никак не с их движением. Исходя из эксперимента и из релятивистской квантовой теории Дирака, можно заявить, что μS=-2μБS, другими словами на единицу спинового момента приходится вдвое превышающий его магнитный момент. Таким образом, полный магнитный момент

    μ=-μБL+2S=-μБJ+S.

    Вектор μ=-μБgJ, μБ=eh2mc прецессирует вокруг вектора J, а это говорит о том, что в среднем он направлен вдоль J и его величина может быть определена с помощью формулы μ=-μБgJ, μБ=eh2mc. Исходя из результатов расчётов на основе квантовой механики, фактор Ланде можно записать следующим образом:

    g=1+JJ+1-LL+1+SS+12JJ+1.

    На рисунке 3 проиллюстрированы примеры зеемановского расщепления некоторых уровней.

    Аномальный эффект Зеемана

    Исходя из формулы δε=-μHH=μБgMH, можно сказать, что смещение частот компонентов линий эквивалентно:

    δv=μБHhg2M2-g1M1.

    Изменение квантового числа М определяется с помощью правила отбора: M=M2-M1=0, ±1.

    Различные переходы, которые происходят согласно такому правилу, дают зеемановскую структуру линии. В общем случае значения фактора Ланде для верхнего и нижнего уровней разнятся, переход между к-рыми формирует спектральную линию. Выходит, что переходы со всевозможными M1 приводят к получению разных δν даже при условии одинакового M. Как результат, получается сложная картина, то есть аномальный эффект Зеемана.

    В случае, когда у верхнего и нижнего уровней S=0, J=L, g= 1, δv=μБHMh. Переходы между уровнями с M=0 приводят к получению центрального π-компоненты, а с M=±1 - смещенного σ-компоненты. Появляется нормаль эффекта Зеемана (рисунок 4). Схожая картина выходит в частном случае, когда g1=g2.

    В крайне сильном поле H связь L и S претерпевает серьезные нарушения, оба вектора начинают независимо друг от друга прецессировать вокруг направления J с проекциями ML и MS. Нарушение связи может происходить в том случае, когда зеемановское расщепление становится больше тонкой структуры, другими словами J-структуры уровня LS. При этом μН=ML+2MSμБ. Правило отбора для ML не отличается от правила отбора для M, а MS=0. По этой причине δν=μБHMLh и снова проявляется нормаль эффекта Зеемана. В подобных условиях любой зеемановский компонент обладает тонкой структурой (так же, как и J-структура уровня LS). Компоненты такой структуры характеризуются значением величины ML·MS.

    Определение 3

    Переход от аномального к нормальному эффекту Зеемана в сильном поле носит название эффекта Пашена-Бака. В процессе перехода происходит нарушение линейной зависимости смещения от поля. В различных линиях эффект проявляется при разных величинах магнитного поля.

    Применение эффекта Зеемана в астрофизике

    В астрофизике эффект Зеемана применяется как способ определения магнитных полей космических объектов.

    При измерениях магнитных полей звезд зеемановское расщепление спектральных линий чаще всего наблюдается в поглощении. Продольный компонент магнитного поля измерений у нескольких сотен звезд всевозможных спектральных классов. Было выяснено, что индукция магнитного поля на поверхности магнитных звёзд достигает нескольких тысяч Гс, а звезда HD 215441 обладает довольно сильным полем 3,4·104 Гс. Крайне сильные магнитные поля, чья величина превосходит 10 Гс, найдены с помощью эффекта Зеемана у нескольких вырожденных звезд, то есть у белых карликов.

    Магнитные поля Галактики могут быть измерены по зеемановскому расщеплению радиолинии водорода 21 см. Выбор линии поглощения для подобных измерений дает возможность наблюдать на фоне яркого радиоисточника резкую линию и существенно снизить роль шумов и вероятных ошибок. Данный метод помог измерить магнитные поля в плотных и холодных облаках межзвёздного газа, проецирующихся на яркие галактические радиоисточники: Кассиопея А, Телец А и многие другие. Как оказалось, в облаке, находящемся в направлении источника Кассиопея А, магнитное поле достигает значения в 18±2·10-6 Гс. Усредненное крупномасштабное поле Галактики обладает величиной 2·10-6 Гс, в газовых же облаках магнитное поле в 5-10 раз превышает этот показатель. Таким способом определяется только продольный (вдоль луча зрения) компонент магнитного поля.

    Изучение магнитных полей активных областей, пятен и других подобных образований на Солнце предполагает использование специализированных чувствительных приборов – фотоэлектрических магнитографов, предоставляющих возможность измерять поля до 1 Гс и даже меньше (составляющую поля по лучу зрения). В подобных измерениях также применяется обратный эффект Зеемана.

    Замечание 1

    В большей части случаев зеемановские компоненты линии сливаются между собой, так как наличие магнитного поля провоцирует общее расширение спектральной линии. Магнитное поле определяется в таких случаях поляризационными методами.

    В случаях наблюдения аномального эффекта Зеемана, когда линия претерпевает расщепление на ряд π- и  σ-компонентов, для нахождения величины расщепления δλH) σ-компонентов астрофизики применяют следующую формулу:

    δλH±4,67·10-13gλ2H,

    где Н выражается в Э, а длина волны λ в A. Зачастую для измерений солнечных магнитных полей применяют спектральную линию железа λ=5250, 4 A Fel с фактором g=3 и ряд иных линий. По той причине, что зеемановские компоненты линии поляризованы по-разному (к примеру, в продольном эффекте Зеемана линии имеют правую и левую круговую поляризацию, в общем же случае - эллиптическую), изменение знака наблюдаемой поляризации приводит к смещению линии.

    Определение 4

    Значение смещения, фиксируемое фотоэлектрическим магнитографом, характеризует продольную часть напряженности поля.

    Для того, чтобы получить информацию о величине и направлении полного вектора магнитного поля на Солнце, нужно определить параметры поляризации в некотором участке спектральной линии и применить результаты теории образования линий в магнитном поле. Для данной цели, в большей части случаев, принимается некоторая модель атмосферы и предполагается, что магнитное поле в слое образования спектральной линии является однородным. Полный вектор индукции магнитного поля измеряется с существенно уступающей точностью, конкретно 50-100 Гс. Общее магнитное поле Солнца в качестве звезды приблизительно может быть названо эквивалентным 1 Гс, однако в солнечных пятнах данная величина гораздо больше и достигает отметки в несколько тысяч Гс.

    Особый интерес представляют сверхсильные магнитные поля ~ 106-109 Гс у поверхности некоторых белых карликов и ~1011-1013 Гс (или даже выше) у поверхности целого ряда нейтронных звёзд. В сверхсильных полях происходит разрушение связи орбитальных и спиновых моментов (li и si), которые при отсутствующем поле формируют моменты L и S:

    L=ili, S=iSi.

    Эффект Зеемана квазинезависимых электронов

    Как результат, свое место имеет эффект Зеемана конкретных квазинезависимых электронов. В крайне сильных полях претерпевает нарушение центральная симметрия атома, форма атома или же иона становится приближенной к форме веретена. Подобная ситуация имеет место на поверхности нейтронных звёзд.

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
    Средняя оценка статьи
    4,6 из 5 (18 голосов)