Явление Зеемана. Явление Джозефсона.

Эффект Зеемана – это расщепление спектральных линий под действием магнитного поля. Открыт в 1896г. П. Зееманом при исследовании свечения паров натрия в магнитном поле. Для наблюдения эффекта Зеемана источник света, испускающий линейчатый спектр, располагается между полюсами мощного электромагнита (рис 13.1). При этом каждая спектральная линия расщепляется на несколько составляющих. Расщепление весьма незначительно (для магнитных полей ~ 20 кэ составляет несколько десятых ), поэтому для наблюдения эффекта Зеемана применяют спектральные приборы с высокой разрешающей способностью.

Рис. 13.1. Схема наблюдения эффекта Зеемана. Источник линейчатого спектра И расположен между полюсами электромагнита М, сердечник которого просверлён для обеспечения наблюдения вдоль поля. Линзы Л, поляроиды П и пластинка в 1/4 длины волны служат для определения характера поляризации; С – спектроскоп.

Все компоненты зеемановского расщепления поляризованы. Картина расщепления и поляризация компонент зависят от направления наблюдения. В простейшем случае в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля (поперечный эффект Зеемана), обнаруживаются (рис 13.2) 3 линии: несмещенная p-компонента, поляризованная по направлению поля, и 2 симметрично по отношению к ней расположенные s-компоненты, поляризованные перпендикулярно полю. При наблюдении в направлении поля (продольный эффект Зеемана) остаются только s-компоненты, поляризованные в этом случае по кругу.

Рис. 13.2. Простой эффект Зеемана: вверху – без поля, линия v0 не поляризована; в середине – при поперечном наблюдении в магнитном поле – триплет с частотами v1, v0, v2 линии поляризованы линейно (направление поляризации показано стрелками); внизу – при продольном наблюдении – дублет с частотами v1,v2, линии поляризованы по кругу в плоскости, перпендикулярной магнитному полю; v1 = v0 + Dv, v2 = v0 – Dv

Первое объяснение эффекта Зеемана дал Г. Лоренц в 1897. Он рассматривал электрон в атоме как гармонический осциллятор частоты излучающий в отсутствие внешнего поля спектральную линию этой частоты. В однородном внешнем магнитном поле Н движение линейно колеблющегося электрона можно разложить на линейное колебание вдоль направления поля и два круговых колебания (с противоположными направлениями вращения) в плоскости, перпендикулярной Н (рис 13.3). На линейное колебание поле Н не действует, и его частота остаётся равной v₀; частоты круговых составляющих изменяются, т.к. электрон в магнитном поле получает дополнительное вращение вокруг направления магнитного поля с частотой Dv = ¹/₄p(e/m_e) Н, где е/м_е – отношение заряда электрона к его массе. Частоты этих колебаний становятся равными v₁ = v₀ + Dv и v₂ =v_o – Dv. Т. о., атом в магнитном поле испускает 3 линии с частотами v₀, v₁ и v₂ (зеемановский триплет). Такая картина расщепления – простой (или нормальный) эффект Зеемана – получается только для одиночных спектральных линий, а также в предельном случае очень сильных магнитных полей (эффект Пашена – Бака). Как правило, наблюдается более сложная картина: спектральная линия расщепляется на большее число компонент с различными значениями Dv – сложный (или аномальный) эффект Зеемана; получается спектральная группа равноотстоящих p-компонент и две симметрично от неё расположенные группы равноотстоящих s-компонент.

Рис.с 13. 3. Разложение гармонического осциллятора l на линейные осцилляторы lII – вдоль направления поля и l^ – перпендикулярный полю. Осциллятор l^ разлагается на два круговых с противоположными направлениями вращения.

Полное объяснение эффекта Зеемана даёт квантовая теория. Квантовая система, например атом, обладает магнитным моментом m, который связан с механическим моментом количества движения М и может ориентироваться в магнитном поле только определённым образом. Число возможных ориентаций m равно степени выражения уровня энергии, т. е. числу возможных состояний атома с данной энергией Е. В магнитном поле каждой ориентации m соответствует своя дополнительная энергия DЕ. Это приводит к снятию вырождения – уровень расщепляется.

Дополнительная энергия DE пропорциональна величине напряжённости поля Н:

E=-m_HH (13.1),

где m_H – проекция m на направление поля Н. В магнитном поле m_H принимает дискретные значения, равные – gm_Бm, где g – множитель Ланде, m_Б – магнетон Бора, m – магнитное квантовое число m = J; J—1,. —J, где J – квантовое число, определяющее возможные значения М; см. В результате дополнительная энергия

DE_m = -m_HH = gm_БН·m (13.2),

различна для различных магнитных квантовых чисел и уровень энергии Е расщепляется на 2J + 1 равноотстоящих зеемановских подуровней. Расстояние между соседними подуровнями Em иЕ_m+1 равно:

d = DE_m+1 – DEm = gm_БН = gDE₀ (13.3),

где DЕ₀ = m_БН – величина т. н. нормального расщепления.

Если для уровней E₁ и E₂, между которыми происходит квантовый переход, g₁ = g₂, то расщепление спектральной линии в магнитном поле представляет собой зеемановский триплет. Если g₁ ¹ g₂, получается сложный эффект Зеемана.

Исследование картины эффекта Зеемана позволяет определять характеристики уровней энергии различных атомов. Наряду с квантовыми переходами между зеемановскими подуровнями различных уровней энергии (эффект Зеемана на спектральных линиях) можно наблюдать магнитные квантовые переходы между зеемановскими подуровнями одного и того же уровня. Такие переходы происходят под действием излучения частоты

(13.4),

(h – постоянная Планка). В обычных магнитных полях частоты таких переходов соответствуют СВЧ-диапазону. Это приводит к избирательному поглощению радиоволн, которое можно наблюдать в парамагнитных веществах, помещенных в постоянное магнитное поле.

Эффект Зеемана наблюдается и в молекулярных спектрах, однако расшифровать такие спектры значительно труднее, чем атомные. Кроме того, наблюдение эффекта Зеемана в молекулярных спектрах представляет большие экспериментальные трудности из-за сложности картины расщепления и перекрытия молекулярных спектральных полос. Эффект Зеемана можно наблюдать также и в спектрах кристаллов (обычно в спектрах поглощения).

Эффект Зеемана применяется не только в спектроскопии для исследования тонкой структуры вещества, но и в устройствах квантовой электроники и для измерения магнитных полей в лабораторных условиях и магнитных полей космических объектов.