В 1896 г. Питер Зееман наблюдал расщепление спектра линий поглощения атомов натрия в магнитном поле. Впоследствии этот экспериментальный факт получил название Эффект Зеемана и обусловлен он тем, что в присутствии магнитного поля атом приобретает дополнительную энергию пропорциональную его магнитному моменту
. Приобретенная энергия приводит к снятию вырождения атомных состояний по магнитному квантовому числу
и расщеплению атомных линий.
Природа эффекта.
В классическом представлении.
Атом, как известно, можно рассматривать как классический гармонический осциллятор и его уравнение движения в присутствии магнитного поля . направленного вдоль оси
, можно рассматривать в виде:
где - скорость вращения электрона вокруг ядра,
- масса электрона,
- резонансная частота электронного дипольного перехода. Последний член в уравнении обусловлен силой Лоренца.
Введем величину называемую Ларморовской частотой:
Решая уравнение движения, легко обнаружим, что резонансная частота дипольного момента в присутствии магнитного поля разделяется на три частоты.
в квантовом представлении
Полный гамильтониан атома в магнитном поле имеет вид:
где невозмущенный гамильтониан атома и
возмущение, созданное магнитным полем
где - это магнитный момент атома, который состоит из электронной и ядерной частей, но последняя часть на несколько порядков меньше первой поэтому ей можно пренебречь. Следовательно,
где это магнетон Бора,
- полный электронный угловой момент,
- фактор.
Оператор магнитного момента электрона является суммой орбитального углового и спинового углового момента
, умноженным на соответствующее гиромагнитные отношение:
где или
. Последнее называют аномальным гиромагнитным отношением; отклонение от 2 появляется из-за квантовых электродинамических эффектов.
Если член взаимодействия мал (меньше тонкой структуры т.е
), его можно рассматривать как возмущение и этот случай называют нормальным эффектом Зеемана. Нормальный эффект Зеемана наблюдается:
Расщепление связано с чисто орбитальным или чисто спиновым магнитным моментами. Это наблюдается в синглетах и в группе щелочноземельных элементов, а также в спектрах
.
Для всех не синглетных линий спектральные линии атома расщепляются на значительно большее чем три количество компонент, а величина расщепления кратна нормальному расщеплению . В случае аномального эффекта величина расщепления сложным образом зависит от квантовых чисел
. Как указано ранее, приобретенная электроном в магнитном поле дополнительная энергия
пропорциональна
-фактору, который называют множителем Ланде (гиромагнитный множитель) и который дается формулой
где - значение орбитального момента атома,
- значение спинового момента атома,
- значение полного момента.
Впервые этот множитель ввел Ланде. Работы Ланде являлись продолжением работ Зеемана, поэтому спектры, полученные Ланде в магнитном поле, называют аномальным эффектом Зеемана. Заметим, что эксперимент Зеемана сделан при , т.е
, поэтому никакой надобности в множителях не возникало.
Таким образом вырожденный энергетический уровень расщепляется на равностоящих зеемановских подуровня.