Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
переходы, разрешенные правилами отбора Ать = 0, ±1 и A ms = 0. Их всего
шесть. Однако переходы 2 и 5 одинаковы по энергии и совпадают с энергией
основного перехода, т. е. перехода в отсутствие поля. Переходы 1 и 4,3 и
6 также имеют попарно одинаковую энергию.
Можно показать, что в сильном поле расщепление всегда должно происходить
на три компоненты. В самом деле, при испускании света переходы происходят
только между уровнями с одинаковыми значениями ms(Ams = ms2 - ms± =
0).Энергия квантов поэтому равна
Ни = [Ро2 + рвВ(ть2 + 2ms2)\ ~ [Poi 4- рвВ(ть1 + 2ш(§1)] =
= (Р02 - Е01) + цвВ{тЬ2 - mLl). (7.10)
Правила отбора разрешают изменение ть, не более чем на единицу; поэтому в
сильном поле, кроме несмещенной линии, наблюдаются две линии, одна из
которых смещена в красную, а другая - в фиолетовую сторону (на одинаковые
расстояния).
Обратим внимание еще на одну характерную особенность явления Зеемана в
сильных полях. Найдем из (7.10) формулу для расстояния между компонентами
мультиплета по частоте:
А" = \^в = кшв = ш- ^
Формула (7.11) не содержит ни постоянной Планка, ни квантовых чисел.
Поэтому эта формула в принципе может быть получена (и действительно
получается!) в классической физике1. Эта особенность сильных полей не
содержит глубокого физического смысла и является случайной. Так, формула
(7.6) для смещения линий в слабых полях содержит квантовые числа (они
входят в состав факторов Ланде).
Таким образом, мы видим, что при увеличении магнитного поля сложная
картина расщепления (сложный эффект Зеемана) превращается в простую
триплетную (простой эффект Зеемана). Это превращение было открыто в 1912
г. Пашеном и Баком и носит их имя.
Частоту еВ/2тс в классической физике называют ларморовой, а триплет линий
с частотами с^о и с^о =Ь еВ/2тс - нормальным лоренцевым триплетом
§ 37. Явление Зеемана
195
В заключение отметим, что наиболее сложной оказывается картина
расщепления спектральных линий в промежуточных полях, когда все три
последних члена в (7.1) имеют сравнимую величину. Теоретическое
рассмотрение этого случая крайне сложно.
Поляризация зеемановских компонент. Схема опытов по исследованию явления
Зеемана изображена на рис. 76. Источник света (светящийся газ) помещается
между полюсами электромагнита. Спектральный состав излучения изучается с
помощью спектрометра, снабженного устройством для исследования
поляризации света. Спектральный прибор условно изображен в виде
призменного спектрометра. Слабость расщепления (см. выше) заставляет
применять приборы с большой разрешающей способностью. Наблюдение спектров
чаще всего производят по нормали к направлению магнитного поля
("поперечный" эффект Зеемана) или по направлению поля ("продольный"
эффект Зеемана). Расположение приборов для наблюдения "поперек поля"
отмечено на рис. 76 цифрой /, а расположение для наблюдения "по полю" -
цифрой 2. В последнем случае наблюдение ведется через канал, проделанный
в одном из полюсов.
Рис. 76. Исследование поляризации света при эффекте Зеемана: 1 -
исследование "поперек поля"; 2 - исследование "вдоль поля".
196
Глава 7
Опыт показывает, что зеемановские компоненты как при наблюдении вдоль
поля, так и при наблюдении поперек поля оказываются поляризованными.
Поляризация происходит и при "нормальном", и при "аномальном" эффектах
Зеемана. Причина поляризации заключается в том, что каждая компонента
зеемановского. мультиплета связана со вполне определенным изменением
проекции углового момента атома.
Рассмотрим это явление на примере зеемановского триплета (рис. 75).
Изображенные на рисунке переходы 1 и 4 происходят при уменьшении тпь, на
единицу; ms при оптических переходах но изменяется. Из закона сохранения
углового момента следует, что проекция углового момента светового кванта
на направление магнитного поля в этом случае равна +1. При наблюдении
этой линии вдоль поля мы увидим поэтому кванты, спины которых направлены
по направлению движения, т. е. циркулярно поляризованный свет.
Несколько сложнее обстоит дело при наблюдении поперек поля.
В этом случае квант обладает единичной проекцией момента на направление,
перпендикулярное к направлению его движения. О таких состояниях кванта мы
до сих пор не говорили. Из общих соображений ясно, что это состояние
может быть представлено в виде некоторой суперпозиции двух основных
состояний - состояний с направлением спина п о и против направления
движения. Чтобы разобраться в этом вопросе до конца, следует, однако,
установить сдвиг фаз между этими состояниями. Соответствующий
математический аппарат в этой книге не излагался. Мы пойдем несколько,
другим путем. С классической точки зрения квант со спином, направленным
вдоль магнитного поля, представляет собой электромагнитную волну, в
которой вектор Е вращается в плоскости, перпендикулярной к полю (рис.
77). Эта волна наблюдается и, следовательно, распространяется поперек
поля. Нетрудно сообразить, что при наблюдении поперек поля мы увидим, что
