Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 138
Текст из файла (страница 138)
рис. 31.3 б), а правая — у линлли увеличенной частоты (фиолетовая компонента) (см. рис. 31.3 а). В случае положительного заряда е направление круговой поляризации у красной и фиолетовой компонент должно быть обратным. Мы видели в 8 170, что опыт дает соотношение, соответствующее отрицательному знаку заряда. Для определения величины заряда найдем закон изменения частоты круговых компонент движения. В отсутствие магнитного поля центростремительная сила, обеспечивающая круговое движение заряда„задается квазиупругим притяжением Ьт, так что угловая частота вращения (и = 2лг/Т) определяется из условия Ьт = тадт, ГЛ.
ХХХ1. ЯВЛЕНИЕ ЗЕЕМА11А Так как Ь/т = мо~, где ыо — частота в отсутствие магнитного поля, то Ь 1еН 1 е Н + юо 1+ т 4 пг2 4 тггоо2 1 еН Член —, очень мал по сравнению с единицей. Действительно, 4 тгоо даже для наиболее легких зарядов (электрон, е/т = 1,76.10 СГСМ = = 1,759 1011 Кл кг 1) и огромных полей порядка миллиона эрстедов мы для видимого излучения (аго — 3 10 с ) получим— 15 — 1 2 2 о - 10 5. Пренебрегая этой величиной и помня, что частота аг должна быть положительной, находим 1 е 1 е о~к = а~о — — — Н, аг,1 = с~о + — — Н.
(171.7) 2т 2т Таким образом, теория приводит к выводу, что величина расщепления равна Ьш = й2 — гоо = 27Гг.гР = + — — Н, (171.8) 2 т т.е. пропорциональна напряженности магнитного поля Н. как это и показывает опыт. Наибольшие магнитные поля, в которых измерялось расщепление магнитных линий, были получены в опытах П.Л. Капицы (1938 г.). Он установил, что даже для полей около 320000 Э соблюдается пропорциональность между Ьг и Н. 1 е Полученное выше соотношение г2аг = + — — Н дает возможность 2 т на основании измерений г2 аг и Н вычислить отношение е/т для зарядов, движение которых обусловливает эффект Зеемана.
Это вычисление дает е — = 1,765 10 СГСМ по измерениям 1914 г., 7 е — = 1,761 10 СГСМ по измерениям 1929 г. При сравнении рассчитанных величин с результатами измерения е/т, по отклонению катодных лучей в электрическом и магнитном полях (1,769 10 ) не остается сомнений, что заряженная частица в атоме, определяющая его оптические свойства, есть электрон ). Однако расхождение в определении е/т по двум методам заставляло подозревать какие-то принципиальные недочеты в определении по тому или другому методу.
В самые последние годы улучшение методики определения е/т по отклонению катодных лучей привело к согласию со спектральными данными. И теория, и опыт показывают, что для наблюдения явления Зеемана в обычных условиях требуются спектральные аппараты болыпой разрешающей силы. Так, для Л = 300,0 нм в поле 10000 Э расщепление достигает всего лишь 0,003 нм. В полях, применявшихся Капицей, ) Современное значение е/т = 1,7588047(49) .
10 СГСМ. мОттекулят~нАя ОптикА растцепление достигало 0,15 нм тт могло наблюдаться при помощи призменного спектрографа. Рисунок 31.4 воспроизводит фотографии явления Зеемана для линтлтл кадмия Л = 643,87 нм (нормальный триплет; в верхней части рисунка изображена тг-компонента, а в нижней — ст-компоненты).
3 а м е ч а н тл е. Более детальное исследование влияния магнитного поля на движение электрона показывает '), что изменение угловой скорости электрона не сопровождается изменением радиуса, его орбиты г. Поскольку радиус орбиРис. 31.4. Простой ты остается постоянным, то тлзменение угловой эфФект Зеемана для скорости на ~Ьт,т сопровождается изменением синглетной линии линейной скорости на Ьг = =~г2ы, а следокадмия, Л=643,87нм вательно, и изменением кинетической энергии электрона. При этом возникает вопрос: за счет работы каких сил происходтлт это тлзменение энергтлтл? (Сила Лорентца перпендикулярна к направлению скоросттл и работы не совершает.) Дело сводится к явлениям электромагнитной тлндукции.
Пусть в отсутствие магнитного поля скорость электрона на орбите была го. При вклточении магнитного поля за то время, пока напряженность поля меняется от нуля до Н, действует электродвижущая сила индукции, т.е. вихревое электрическое поле, линии которого расположены в плоскости, перпендикулярной к направлению изменяющегося магнитного потока. Это поле действует на электрон и в шллу своего вихревого характера совершает некоторую работу даже при замкнутом пути электрона, изменяя кинетическую энергию его орбитального движения.
Может быть нелишне напомнить, что совершенно так же разрешаются и подобные кажущиеся энергетические парадоксы в электро- динамике. Например, увеличение кинетической энергии магнита или катушки с током., приходящих в колебантле ) при наложении посто2т янного магнитного поля, есть также результат электромагнитной индукции. $ 172. Аномальный (сложный) эффект Зеемана Описанный выше тип расщепления — появлентле тртлплета из двух ст-компонент и одной тт-компоненты — наблюдается, как выяснили дзльнейтпие исследования, крайне редко. Он характеризует простые спектральные линии.
так называемые синглетные лтлнитл. представляющие одну определенную, практически монохроматическую волну, и называется нормальным расщеплением. Громадное же большинство ) См., например, Э, В. Ш и о л т> с к и й. Атомная физтлка. Т. 1, Наука,, 1914. 2) Окончательная ориентация катушки или магнита относительно поля есть вторичный эффект — результат трения в подшипниках, причем кинетическая энергия колебаний переходтлт в тепло.
гл. хххь явлниик зенмАиА 571 спектральных линий сложно; они представляют собой мрлыпиплеты„ т.е. состоят из двух или нескольких тесно расположенных спектральных линий. Простым мультиплетом — дублетом — является, например, желтая линия натрия, представляющая собой пару линий 0~ и 02, длины волн которых различаются почти на 6 А (Лп, = 5895,930 А и Лп, = 5889,963 А), причем интенсивность линии Оэ в два раза больше, чем линии .0~.
Нередко встречаются значительно более сложные мультиплеты, состоящие из многих компонент. Воздействие магнитного поля на эти мультиплеты дает гораздо более сложную картину расщепления, чем описанная выше. Так, дублет натрия расщепляется таким образом, что линия .02 дает 6, а линия Вг 4 компоненты. Часть из них является х-компонентами, часть о-компонентами, раздвинутыми так, что для одних расщепление больше, а для других меныпе нормального расщепления в том же магнитном поле; интенсивность отдель- Рис. 31.5.
Слож- Ряс. 31.6. Сложных л-- и о-компонент такова, что ный эффект Зее- ный эффект Зесмесь всех линий дает неполяри- мана для дублета емана для септезованный свет. На рис. 31.5 по- натрия. Внизу — тахрома. Внизу— казана фотография описанного дублет в отсут- четырнадцать о.- расщепления, а на рис. 31.6 изо- ствие поля, ввер- компонент, ввербражен еще более сложный слу- ху расщепление ху семь х-комчай. На нем изображена одна из в магнитном ноле понеит линий септета хрома, распадающаяся на 21 компоненту: в нижней части фигуры изображены 14 о.-компонент, а в верхней --- 7 х-компонент (на репродукции некоторые наиболее слабые компоненты видны плохо). Сложность картины этого аномального эффекта Зеемана не случайным образом связана со сложным характером линии в отсутствие внешнего магнитного поля.
Общая причина лежит в том, что электрон, кроме электрического заряда, обладает еще и определенным магнитным моментом. Взаимодействие, этого магнитного момента с магнитным полем, господствующим внутри атома, приводит к сложной структуре спектральных линий, а взаимодействие его с внешним магнитным полем — к сложному или аномальному расщеплению. Учет таких взаимодействий возможен только с помощью квантовой теории, Лишь квантовая теория дала удовлетворительное толкование аномальному эффекту Зеемана, выяснив одновременно и причину сложной структуры спектральных линий. Простой, или нормальный, эффект Зеемана также, конечно, истолковывается квантовой теорией, причем полученный с ее помощью результат совпадает с результатами простой теории Лорентца.
Тот факт, что в первоначальных опытах Зеемана наблюдался нормальный триплет, было удачным обстоятельством., но он сыграл чрезвычайно важную роль в развитии электронной теории. Блестящее объяснение 572 МОЛНКУЛЯРИАЯ ОПТИКА простого эффекта Зеемана с помогцью электронных представлений явилось одним из наиболее решительных успехов теории Лорентца, которые не были поколеблены и тогда, когда дальнейшие наблюдения показали, что явление очень часто имеет гораздо более сложный характер. Сохраняя объяснение, данное электронной теорией, эти более сложные случаи отнесли к аномальным, тогда как в действительности они представляют более общее явление, а «нормальный» эффект есть лишь частный случай его.
й 173. Обратный эффект Зеемана. Его связь с явлением Фарадея Эффект Зеемана удалось наблюдать и на линиях поглогцения (обрагпньгй зффекгп Зеемана). Если абсорбирующее вещество, например пары металла, дающие резкую спектральную линию поглощения ), поместить между полюсами электромагнита, то вид спектра 1~ поглощения будет меняться при включении магнитного поля. При продольном наблюдении в отсутствие поля наблюдается резкая линия поглощения; при включении магнитного поля она заменяется двумя линиями поглогцения, сдвинутыми в область ббльших и меныпих длин волн симметрично по обе стороны от первоначальной линии; при этом величина сдвига Ьи растет пропорционально напряженности магнитного поля Н и определяется тем же соотношением (171.8): Ьг =~ — — Н (173.1) 4~г т (в случае линии, соответствугогцей нормальному эффекту).
При поперечном наблюдении первоначальная линия поглощения сопровождается двумя другими, расположенными по обе стороны ее на расстоя- 1 е нии Ьг = ~ — — Н. Коэффициент поглощения будет зависеть от 4~г т характера поляризации падающего света. Теоретический смысл этих явлений легко понять. Под действием магнитного поля меняются собственные периоды колебания атомов и, следовательно, положение линий поглощения.
Наблюдения в продольном направлении показывают, что собственные частоты, соответствующие правому и левому вращению, смещаются в разные стороны. Этим обстоятельством устанавливается связь между явлением Зеемана и явлением Фарадея. Так как показатель преломления зависит от близости частоты исследуемой волны к собственным частотам вещества (кривая дисперсии), то, следовательно, под действием магнитного поля изменяется и показатель преломления, причем различно для волн данной частоты, поляризованных по правому и левому кругу. Итак, под действием магнитного поля возникает двойное (вращательное) преломление, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
