Эффект Зеемана

Наряду с вращением плоскости колебаний поляризованного света внешнее магнитное поле вызывает еще очень важный эффект, открытый в конце XIX в. Зееманом и носящий его имя. Именно при помещении излучающего вещества во внешнее магнитное поле наблюдается расщепление спектральных линий.

Рис 7.14

В простейшем классическом случае происходит следующее: при наблюдении вдоль линии индукции магнитного поля (пусть она направлена по оси z, рис. 7.14, а) видны две линий, поляризованные по кругу в противоположных направлениях и имеющие частоты ( (ω₀—частота в отсутствие поля) (рис. 7.14, б). При наблюдении перпендикулярно индукции поля видны три линейно-поляризованные линии (рис. 7.14, б). Одна из них имеет частоту со₀ и электрический вектор, колеблющийся в направлении z; две другие имеют частоты и электрические векторы, колеблющиеся перпендикулярно оси z и направлению наблюдения (оси у). При этом изменение частоты равно:

(7.9)

где e и т — соответственно заряд и масса электрона, В — индукция внешнего поля. Изменения частоты не очень велики. Так, при B=0,5 Тл (довольно сильное поле) получается: Δω=4x10^-10 с^-1, что для видимого света (частота Δω≈4x10¹⁵ с^-1) дает относительное изменение частоты:

т. е. очень незначительную величину.

Суть явления Зеемана такова: при нарастании (от нуля до В) магнитной индукции, пронизывающей плоскость орбиты электрона, движущегося в электронной оболочке атома вещества, вдоль орбиты электрона возникает индуцированное электрическое поле, изменяющее энергию электрона.

Одновременно появляется и сила Лоренца, действующая вдоль радиуса орбиты. Так как время нарастания макроскопического поля всегда очень велико по сравнению с периодом обращения электрона, то, как показывает строгое рассмотрение, радиус орбиты не изменяется, меняется только частота обращения. В невозмущенном состоянии сила кулоновского взаимодействия электрона с ядром (допустим, что рассматривается атом водорода) обеспечивает центростремительное ускорение, так что уравнение движения электрона имеет вид:

При наличии внешнего магнитного поля появляется сила Лоренца, и уравнение движения изменяется:

где ω — новое значение частоты обращения (и излучения).

Так как сила Лоренца перпендикулярна , то движение вдоль оси z остается невозмущенным:

и частота излучения, которое можно наблюдать в направлении, перпендикулярном z, не изменяется.

В плоскости хОу частота обращения меняется, и уравнение движения принимает вид:

Поэтому получается:

(7.10)

Как показывает опыт, изменение частоты относительно мало. Поэтому можно принять:

Тогда находим изменение частоты:

что согласуется с опытом. Излучение, соответствующее этому движению электрона, будет наблюдаться вдоль оси z как поляризованное по кругу в двух взаимно противоположных направлениях. Излучение, обусловленное колебаниями электрона вдоль оси z, при наблюдении вдоль этой оси, конечно, не видно (диполь не излучает вдоль оси!).

При наблюдении вдоль оси у (или х) вместо линий с круговой поляризацией будут видны линии, имеющие колебания в направлении х (или у) с частотами .

В главе 14 эффект Зеемана обсуждается с квантовомеханических позиций. Такое рассмотрение совершенно необходимо, если первоначальные линии имеют сложную структуру, в результате чего усложняется и сам эффект Зеемана.