physics_saveliev_3 (535941), страница 56
Текст из файла (страница 56)
202. В результате по- С) ~ ~ лучаются три компоненты с чаl стотами, указанными выше. Опыт от„-лот от„ лю, показывает, что эти компоненты поляризованы. Характер поляриРис. 203. зации зависит от направления наблюдения. При поперечном наблюдении (т. е. при наблюдении в направлении, перпендикулярном к вектору Н) световой (электрический) вектор несмещенной компоненты (ее называют и-компонентой) колеблется в направлении, параллельном вектору Н, а в смещенных о-компонентах — в направлении, перпендикулярном к Н (рис. 203, а). Прн продольном наблюдении получаются только две смещенные компоненты. Обе поляризованы по кругу: смещенная в сторону меньших частот — против часовой стрелки, смещенная в сторону больших частот — по часовой стрелке (рнс.
203, б). Получающееся в рассмотренных случаях смещение компонент называется нормальным нли лорен- ') точнее, изменяется на единицу квантовое число й определи~овесе величину механического момента. цевым') смещением. Величина нормального смещения, очевидно, равна: рвн ей Н еН йме= л В 2глее й 2лтее Оценим величину расщепления компонент ЬХ для поля порядка 104 эрстед. Поскольку Х = 2пс/от, 110,) = — ебтоа = —,. 2не нен Частота ат для видимого света имеет порядок 3 10" сед-'. Следовательно, 0,91 ° !О ~~ ° 9 ° 1Оа Описанным в этом параграфе образом расщепляются только немногие спектральные ливии, В большинстве случаев расщепление носит более сложный характер (в частности, число компонент может быть больше трех) и для его объяснения приходится привлекать дополнительные соображения (см.
$ 75). 9 72. Мультиплетность спектров н спин электрона Исследование спектров щелочных металлов при помощи приборов с большой разрешающей силой показало, что каждая линия этих спектров является двойной (дублет). Так, иацример, характерная для натрия желтая линия ЗР-+35 состоит из двух линий с длинами волн 5890А и 5896 А. То же относится и к другим линиям главной серии, а также к линиям других серий. В табл. 4 приведены некоторые дублеты натрия.
В четвертом столбце указаны волновые числа линий ч' (см. (59.2)). В последнем столбце дано расщепление компонент дублетов (разность волновых чисел). Расщепление спектральных линий, очевидно, обусловлено расщеплением энергетических уровней. Поскольку расщепление линий главной серии пР— 35 различно, а для линий резкой серии п5- 3Р одно и то же ') Лоренц дал е)лассическое объяснение нормального эффекта Зеемана н вычислил величину нормального смещении.
Обратите внимание на то, что Ьме совладает с ларморовой частотой [см. т. ц, формулу (52.1) 1. Зеу Таблица 4 е', ся Переход Серия де' 17 017 17000 1 8787 1 8 770 ( 16 217 16200 1 19 417 19400 1 ( 5890 3 302 3 302,6 ( 2852,8 11 382 11 404 ( 6 154 6 160,5 ( 5158 Главная ЗР -+ 33 4Р -+ЗЯ 5Р -+ ЗЯ 43-р ЗР 58-+ ЗР 68-иЗР 17 17 Резкая 17 (см.
табл. 4), приходится предположить, что уровни о являются одиночными (синглетами), а уровни Р— двойными (дублетнымн) (см. рнс. 204). Дальнейший анализ спектра натрия показал, что уровни 0 и и" также являются двойными. Структура спектра, отражающая расщепление линий на компоненты, называется тон кой структурой, Сложные линии, состоящие из нескольких компонент, получили название мульт иплетов.
Тонкая структура обнаруживается, кроме щелочных металлов, также и у других элементов, причем число компонент в мультиплете может быть равно двум (дублеты), трем (триплеты), четырем (квартеты), пяти (квинтеты) и т. д. В частном случае спектральные линии даже с учетом тонкой структуры могут быть одиночными (сннглеты). Для объяснения мультиплетной структуры спектров и аномального эффекта Зеемана (см.
9?5) Гаудсмит и Юленбек выдвинули в 1925 г. гипотезу о том, что электрон обладает собственным моментом импульса М„не связанным с движением электрона в пространстве. Этот собственный момент был назван с п н и о и. Первоначально предполагалось, что спин обусловлен вращением электрона вокруг своей оси. Согласно этим представлениям электрон уподоблялся волчку нли ве- 348 ретену.
Кстати, отсюда происходит и сам термин «спин»: по-английски эр(п означает «верчение». Однако очень скоро пришлось отказаться от подобных модельных представлений, в частности по следующей причине. Вращающийся заряженный шарик должен обладать магнитным моментом, причем отношение магнитного момента к механическому должно иметь значение (см. (7!.1Ц: и е М 2тес (72.1) Действителыю, было установлено, что электрон, наряду с собственным механическим моментом, обладает также и собственным магнитным моментом тт,. Однако ряд опытных фактов, в частности аномальный эффект Зеемана, свидетельствует о том, что отношение собственных магнитного и механического моментов в два раза больше, чем для орбитальных моментов; е М, снес ' (72.2) ') Лая протона н нейтрона а танже равно полавнне, для фотона а равно еднннне. Таким образом, представление об электроне как о вращающемся шарике оказалось несостоятельным.
Спин следует считать внутренним свойством, присущим электрону подобно тому, как ему присущи заряд н масса. Предположение о спине электрона было подтверждено большим количеством опытных фактов и должно. считаться совершенно доказанным, Оказалось также, что наличие спина и все его свойства автоматически вытекают из установленного Дираком уравнения квантовой механики, удовлетворяющего требованиям теории относительности. Таким образом, выяснилось, что спин электрона является свойством одновременно квантовым и релятивистским.
В настоящее время также установлено, что спином обладают и другие элементарные частицы: протоны, нейтроны, фотоны и др. Величина собственного момента импульса электрона определяется по общим законам квантовой механики (см, формулу (69.4)) так называемым с п и н о в ы м квантовым числом з, равным '/а'): М, = Ь )т'э (з+ 1) = Ь Р"/е ° а/, = '/аЬ )'3. (72.3) Составляющая механического момента по заданному направлению может принимать квантованные значения, отличающиеся друг от друга на й: М„т,а, где ги, ь з = +- '/и. (72.4) Чтобы найти величину собственного магнитного момента электрона, умножим М, на отношение (72.2) и, к М,: е е» и, — — М,= — — у'з(э+1) = я~с ' те = — 2рв )Гз(з+!) = — ра) З.
(72.5) е е р = — — М = — — Ьи= т,с = — — (й Чт) Т- рв (72.6) а~ее (минус получается, если т, = +'/м плюс — если лт, = /2) . Таким образом, проекция собственного момента импульса электрона может принимать значения +'/тв и — '4Ь, а собственного магнитного момента — значения +Ив и — рэ В ряд формул, в частности в выражение для энергии, входят не сами моменты, а нх проекции. Поэтому принято говорить, что собственный механический момент (спин) электрона равен половине (подразумевается в единицах Ь), а собственный магнитный момент равен одному магнетону Бора. Рассмотрим теперь на примере атома натрия, как существование спина электрона может объяснить мультиплетную структуру спектра.
Поскольку момент атомного остатка равен нулю, момент атома натрия равен моменту оптического электрона. Момент же электрона будет слагаться из двух моментов: орбитального Мь обусловленного движением электрона в атоме, н спииового М„не связанного с движением электрона в про- ззв Знак минус указывает на то, что механический М. и магнитный и, моменты электрона направлены в противоположные стороны. Проекция собственного магнитного момента электрона на заданное направление может иметь следующие значения: странстве.
Результирующая этих двух моментов дает полный момент импульса оптического электрона. Сло>кение орбитального и спинового моментов в полный момент осуществляется по тем же квантовым законам, по которым складываются орбитальные моменты разных электронов [см. (70.2Ц. Величина полного момента М; определяется квантовым числом /: Мт=й Й(/+1), причем 1 может иметь значения; 1=1+э, ~1 — з1, где 1 и з соответственно азимутальное и спиновое квантовые числа, При 1,= 0 квантовое 'число 1 имеет только одно значение: / = з = '/з.
При 1, отличном от нуля, возможны два значения: / =1+ '/а и / = 1 — '/а, которые соответствуют двум розможным взаимным ориентациям моментов М, и М,— «параллельной» и «антипараллельной» '). Теперь учтем, что с механическими моментами связаны магнитные моменты, которые взаимодвйствуют друг с другом подобно таму, как взаимодействуют два тока илн две магнитные стрелки. Энергия этого взаимодействия (называемого спин-орбитальным взаим од ей с т в и е м) зависит от взаимной ориентации орбитального и собственного моментов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
