11 (Лекции кафедральные (PDF)), страница 2

При прохождении атомов через это поле, из-за наличия у них магнитных моментов, на них действовала∂Bзависящая от проекции спина на направление магнитного поля сила Fz = Pm _ z ⋅, отклонявшая∂zлетящие между магнитами атомы от их первоначального направления движения. Причём, еслипредположить, что магнитные моменты атомов ориентированы хаотично (непрерывно), то тогда на расположенной далее по направлению движения атомов стеклянной пластинке должнабыла проявиться сплошная размытая полоса. Однако вместо этого на пластинке образовалисьдве раздельные достаточно чёткие узкиеполосы, что свидетельствовало в пользустекляннаятого, что магнитные моменты атомовпластинка zвдоль выделенного направления принимали лишь два определённых значеNния, и что подтверждало предположение квантово-механической теории оквантовании магнитного момента атопечьSмов.Позднее с аналогичными результатамибыли проделаны опыты для пучмагнитков атомов других металлов, а такжепучков протонов и электронов.

Эти опыты доказали существование магнитного момента у рассмотренных частиц и показали их квантовую природу, явив собой доказательство постулатовквантовой теории.Атом во внешнем магнитном полеЕсли атом поместить во внешнее магнитное поле с индукцией Bz , то из-за взаимодействия магнитного момента атома с полем у него появится дополнительная энергия ∆E = Pm Bz = Pm _ z Bz , где Pm _ z - проекция магнитного момента на направление Bz .()Т.к. Pm _ z = − g µ B mJ , то величина дополнительной энергии определяется ∆E = gµ B mJ Bz .Поэтому у изолированного атома дополнительная энергия определяется одним из значенийчисла mJ = − J , − J + 1,..., + J . В системе содержащей множество атомов будут присутствоватьатомы со всевозможными значениями дополнительной энергии, что приведёт к расщеплениюуровня энергии на количество, равное 2 J + 1 .

Расщеплённые уровни энергии будут отдалены4Семестр 4. Лекция 11.ω0−∆ωω0ω0+∆ωω0друг от друга на одинаковое значение ∆E = gµ B Bz = g ∆E0 , где величину ∆E0 = µ B Bz принятоназывать нормальным расщеплением энергетического уровня.До наложения магнитного поля энергетический уровень был вырожденным с кратностьювырождения 2 J + 1 . После наложения внешнего магнитного поля произошло расщепление вырожденного уровня энергии на невырожденные уровни. Т.е. магнитное поле снимает вырождение уровня энергии.Впервые в 1896 г. Питер Зееман наблюдал расщепление спектра линий поглощения атомов натрия в магнитном поле.

Впоследствии этотэкспериментальный факт получил название эффектmJ=+1Зеемана.Для простого случая расщепления одиночнойmJ=0J=1линии, когда S=0, g=1 (J=L, mJ=mL), получаем, что∆E = ∆E0 при расщеплении каждого уровня. приmJ=−1внесении таких атомов в магнитное поле каждая исходная спектральная линия с частотой ω0 расщепляется на три линии с частотами ω1 = ω0 − ∆ω ,J=0ω2 = ω0 , ω2 = ω0 + ∆ω . В этом случае смещение часB=0B>0∆E0 µ B Bzтоты ∆ω ==называется нормальнымсмещением.

Данное расщепление уровней соответствует простому или нормальному эффектуЗеемана.Сложный или аномальный эффект Зеемана состоит в расщеплении линий, причём величина расщепления определяется как рациональная дробь от нормального смещенияr µ B Bz∆ω =, где r и q – целые числа.q В слабом магнитном поле энергия взаимодействия между орбитальными и спиновымимагнитными моментами больше, чем энергия их взаимодействия с магнитным полем, поэтомуспин-орбитальная связь не разрывается и атом взаимодействует с магнитным полем как единоецелое.В сильном магнитном поле связь между орбитальными и спиновыми магнитными моментами разрывается и в результате для любых переходов наблюдается нормальный зеемановский триплет.

Это явление называется эффектом Пашена-Бака.Замечание. Расщепление энергетических уровней происходит также при действии на атомыэлектрического поля. Это явление называется эффект Штарка.5.