Зеемана эффект

ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ, расщепление уровней энергии, а, следовательно, и спектральных линий атомов, молекул и кристаллов в магнитном поле. Зеемана эффект наблюдается как на спектральных линиях испускания, так и на линиях поглощения (в этом случае его часто называют обратным Зеемана эффектом). Впервые обнаружен в 1896 году П. Зееманом при исследовании спектров паров натрия; первую теорию на основе классической электродинамики разработал Х. Лоренц (1897), полная теория Зеемана эффекта создана на основе квантовой механики.

Спектральная линия в магнитном поле расщепляется на несколько поляризованных так называемых зеемановских компонент (зеемановское расщепление), причём характер расщепления и поляризация компонент зависят от направления наблюдения (рис.). В случае так называемого простого, или нормального, Зеемана эффекта в направлении, перпендикулярном направлению напряжённости магнитного поля, наблюдается зеемановский триплет - три линейно поляризованные компоненты: несмещённая относительно первичной линии π-компонента, поляризованная вдоль поля, и две симметрично от неё расположенные σ-компоненты, поляризованные перпендикулярно полю. При наблюдении вдоль направления напряжённости магнитного поля получается дублет - две компоненты с круговой поляризацией, направленной в противоположные стороны. Картина простого зеемановского расщепления наблюдается для одиночных спектральных линий или в сильных магнитных полях (Пашена - Бака эффект). В общем случае реализуется сложный (аномальный) Зеемана эффект: появляются группы равноотстоящих линий, причём общая картина симметрична относительно первичной несмещённой линии. Число компонент сложного Зеемана эффекта может достигать нескольких десятков. Величина расщепления мала; для магнитных полей с напряжённостью Н порядка 1,5·10⁶ А/м она составляет сотые доли нм.

Зеемана эффект обусловлен наличием у квантовой системы (например, атома) магнитного момента μ, который связан с её механическим моментом М и может ориентироваться в пространстве лишь определённым образом. Число возможных ориентаций μ равно степени вырождения уровня энергии. В магнитном поле атом с энергией Е и полным магнитным моментом μ приобретает дополнительную энергию ΔЕ = -μ_НН, где μ_Н= gμ_БHm - проекция магнитного момента атома на направление Н, которая принимает различные значения, μ_Б - магнетон Бора, m - магнитное квантовое число, g - множитель Ланде. Вырождение уровня энергии снимается, и он расщепляется на подуровни, число которых равно степени вырождения. Расщепление спектральной линии определяется характером расщепления уровней энергии, между которыми происходит квантовый переход, соответствующий исследуемой линии, а также отбора правилам для магнитного квантового числа m. Если расщепление этих уровней энергии одинаково, то наблюдается зеемановский триплет, в противном случае имеет место сложная картина расщепления, причём для Δm = 0 получаются π-компоненты, для Δm = ± 1 - σ-компоненты.

Зеемана эффект наблюдается и в молекулярных спектрах (обычно на вращательных линиях в радиодиапазоне), однако его картина сложна и её расшифровка представляет большие трудности. Для кристаллов, имеющих выраженную дискретную структуру спектров, обычно изучают обратный эффект Зеемана.

Изучение картины Зеемана эффекта позволяет определять характеристики уровней энергии атомов и, следовательно, интерпретировать атомные спектры. Кроме квантовых переходов между зеемановскими подуровнями, принадлежащими разным уровням энергии, происходят переходы между зеемановскими подуровнями одного уровня. Частоты таких переходов, как правило, лежат в СВЧ-диапазоне электромагнитных волн, они приводят к избирательному поглощению радиоволн в парамагнитных веществах, помещённых в магнитное поле, - электронному парамагнитному резонансу (ЭПР). На основе ЭПР созданы приборы квантовой электроники, в том числе квантовые магнитометры для измерения слабых магнитных полей в лабораторных условиях и в космосе.

Лит. смотри при ст. Атом.