ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ

ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ, расщепление линий атомных и молекулярных спектров под действием магнитного поля. Этот эффект сыграл важную роль в развитии атомной теории. Он показал, что испускание света атомом связано с движением его электронов, а позднее дал возможность детально и с высокой точностью проверить правильность квантовой механики – основы современной атомной теории.

Одним из величайших открытий М.Фарадея (1791–1867) было то, что магнитное поле оказывает влияние на поляризацию светового пучка (так называемый эффект Фарадея). Свет представляет собой электрические и магнитные поля, распространяющиеся в пространстве в виде волн. Если электрическое поле Е колеблется в одной и той же плоскости, как показано на рис. 1, то направление распространения волны перпендикулярно направлению этих колебаний, а направление колебаний магнитного поля В перпендикулярно им обоим. Такого рода свет, испускаемый электрическим зарядом, колеблющимся по вертикали, называется плоско-поляризованным. Если же заряд, создающий излучение, движется по окружности, то электрическое поле распространяется в направлении перпендикуляра к плоскости окружности, описывая спираль, как показано на рис. 2 (аналогично ведет себя и магнитное поле, не показанное на рисунке). Свет такого рода называют светом с круговой поляризацией или циркулярно-поляризованным светом, причем свет заряда, движущегося по окружности, наблюдаемый в плоскости его движения, оказывается плоско-поляризованным. Открытие Фарадея, сделанное им в 1845 еще до того, как стала известной электромагнитная природа света, состояло в следующем: если плоско-поляризованный свет пропускать сквозь какое-либо из ряда известных прозрачных жидкостей и твердых веществ и одновременно параллельно оси пучка создавать сильное магнитное поле, то наблюдается поворот («вращение») плоскости поляризации, причем угол поворота зависит от вещества, напряженности магнитного поля и пути светового пучка в веществе.

В 1862, полагая, что магнитное поле должно влиять не только на распространение света, но и на его испускание, Фарадей исследовал спектр желтого света пламени, содержащего пары натрия, помещенного между полюсами магнита, но не обнаружил ожидаемого эффекта. Однако в 1896 голландский физик П.Зееман (1865–1943), работавший в Лейдене, повторил его попытку, применив более совершенный метод. Он обнаружил, что при наложении поля каждая из линий желтого дублета спектра натрия (так называемых D-линий) уширяется (т.е. увеличивается полоса испускаемых частот).
См. также ОПТИКА; СПЕКТРОСКОПИЯ.

Теоретическое объяснение явления было дано соотечественником Зеемана, теоретиком Х.Лоренцом (1853–1928). Суть его рассуждений можно кратко изложить, рассматривая простые случаи. Допустим сначала, что заряд е движется в излучающем атоме по окружности, плоскость которой перпендикулярна магнитному полю В (рис. 3). Для простоты предположим, что сила, связывающая заряд с атомом, пропорциональна расстоянию r от центра окружности. (Это предположение не имеет принципиального значения, но упрощает вычисления.) В отсутствие поля В, приравняв центробежную силу инерции центростремительной силе, получим

откуда находим частоту обращения заряда:

Если наложено поле В, то оно действует на заряд с силой evB, заставляющей его двигаться из плоскости рисунка. При этом полная сила, действующая на заряд, равна mv²/r + evB; следовательно,

Приближенное решение этого уравнения, справедливое при всех значениях индукции В, кроме экстремальных, имеет вид

-1560(4) v_час = v₀ – eB/4pm,

где индекс «час» указывает на то, что вращение, наблюдаемое с позиции D₂, происходит по часовой стрелке. Если бы заряд вращался против часовой стрелки, то действие поля B было бы противоположным и

Наконец, если плоскость вращения параллельна магнитному полю, то последнее не влияет на частоту обращения.

Рассмотрим теперь нагретый до свечения газ, в котором имеются все три типа движущихся по орбитам электронов, а также промежуточные ориентации. Предположим, что спектроскоп расположен в точке D₁. Орбитам с движением электронов по часовой стрелке и против часовой стрелки будет соответствовать плоско-поляризованный свет с частотами v_час и v_против. Если плоскость орбиты совпадает с направлением поля, то частота света останется неизменной. Таким образом, будут наблюдаться три спектральные линии. Если просверлить отверстие в полюсном наконечнике магнита, то можно наблюдать свет в направлении D₂. Проведенный выше анализ показывает, что в этом направлении можно наблюдать две компоненты – циркулярно-поляризованные по часовой стрелке и против часовой стрелки, с частотами v_час и v_против. Первые грубые измерения подтвердили эти теоретические предсказания. Зееман обнаружил, что v_против меньше v_час. Согласно формулам (4) и (5), это свидетельствует о том, что вращаются отрицательные заряды, а на основании измеренного уширения исходной линии Зееман сделал вывод, что отношение заряда частицы к ее массе составляет примерно 1,6Ч10¹¹ Кл/кг. За несколько лет до этого Дж.Томсон, изучая процессы в газоразрядных трубках, обнаружил частицы, позднее названные электронами, и установил наличие у них отрицательного заряда, причем отношение их заряда к массе составляло 1,7Ч10¹¹ Кл/кг. Поскольку, кроме электрона, не существует других частиц с близкими значениями отношения заряда к массе, именно электроны (хотя они и составляют ничтожную долю массы всего атома) ответственны за испускание света. Это чрезвычайно важное открытие подготовило почву для разработки теории электронного строения атомов, которая, начиная с вклада Резерфорда и Бора в 1911 и 1912, развивалась, превратившись в современную общепризнанную теорию атома.
См. также АТОМ; АТОМА СТРОЕНИЕ.

Но как только было осознано важное значение открытия Зеемана, стали возникать трудности. В 1898 Т.Престон сообщил о том, что некоторые спектральные линии цинка и кадмия расщепляются на четыре компоненты, а вскоре А.Корню обнаружил, что из двух D-линий натрия, с которыми экспериментировали Фарадей и Зееман, одна расщепляется на четыре, а другая – на шесть компонент. В 1911 К.Рунге и Ф.Пашен установили, что интенсивная зеленая линия в спектре ртути расщепляется на 11 компонент. Сначала столь сильное расщепление было воспринято как «аномальный эффект Зеемана». Но вскоре стало ясно, что «нормальный эффект Зеемана» с расщеплением на три компоненты сам представляет собой исключение, и возникла необходимость в дальнейшем уточнении теории Лоренца.

А.Ланде из Тюбингена нашел в 1923 (проанализировав экспериментальные данные для большого числа частных случаев) сложную общую формулу, которая позволяла точно рассчитать эффект Зеемана для любой спектральной линии. Причина, по которой для описания простых явлений, возникающих при движении атомного электрона в магнитном поле, необходима столь сложная формула, стала ясна после открытия, сделанного в 1925 С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком. Они обнаружили, что электрон ведет себя наподобие волчка, вращаясь вокруг собственной оси. Электродинамика показывает, что такой электрон должен вести себя как маленький магнит и что именно двойное взаимодействие с магнитным полем орбитального момента в атоме и спина приводит к сложной динамической картине.

В 1926 В.Гейзенберг и П.Иордан, пользуясь методами квантовой механики, проанализировали эффект Зеемана и вывели формулу Ланде из основных принципов теории. Это исчерпывающее объяснение эффекта Зеемана явилось одним из первых триумфов новой атомной теории. Современные научные методы позволяют использовать эффект Зеемана для идентификации атомных и ядерных состояний. Формулы типа формулы Ланде, связывающие зеемановское расщепление в спектрах атомов, молекул и ядер с их вращательным движением, позволяют по данным измерения эффекта Зеемана в спектрах, обусловленного неизвестными атомными конфигурациями, выяснять характер этих конфигураций. Эффект Зеемана обычно исследуют методами спектроскопии или методами атомных и молекулярных пучков.
См. также СПЕКТРОСКОПИЯ.