Спин-орбитальное взаимодействие. Эффекты Зеемана и Штарка

Орбитальный и спиновый магнитные моменты воздействуют друг на друга и деформируют атом, слегка сдвигая уровни энергии. Возникающее спин-орбитальное взаимодействие и сдвиг энергии электрона зависят от взаимной ориентации моментов. Например, в водородоподобных атомах спин имеет две противоположные ориентации и спин-орбитальное взаимодействие может приводить к расщеплению уровней энергии на два близких подуровня — возникновению тонкой структуры. Такое расщепление приводит к снятию вырождения. У многоэлектронных атомов картина тонкого расщепления уровней энергии оказывается сложнее.

Если расщепление уровней энергии существенно, то необходимо учитывать полный момент импульса электрона L, равный сумме орбитального L и спинового Ls моментов. В этом случае вместо / и s необходимо использовать квантовое число полного момента импульса у, причем

При этом по аналогии с вышесказанным

В свою очередь вместо /тг, и ms необходимо использовать магнитное квантовое число полного момента т}, определяющее возможные проекции полного момента импульса:

где квантовое число т- принимает 2j + 1 значений.

Магнитные моменты атомов могут взаимодействовать не только между собой, но и с внешними магнитным и электрическим полями.

Так, если поместить атом во внешнее магнитное иоле, то может возникнуть расщепление спектральных линий на две, три и более компонент — это явление называется эффектом Зеемана. Такое расщепление энергетических уровней в магнитном иоле было обнаружено в 1896 г. голландским физиком П. Зееманом. Эффект Зеемана объясняется тем, что в зависимости от взаимной ориентации момента импульса атома и магнитного поля энергия уровня может увеличиться или уменьшиться. Как известно, на магнитный момент в однородном магнитном иоле действует момент сил, который стремится сориентировать магнитный момент вдоль силовых линий магнитного ноля.

В слабом магнитном поле, когда поле не нарушает взаимодействие орбитальных и спиновых моментов, имеет место аномальный (сложный) эффект Зеемана. При этом происходит расщепление уровня на две, четыре и более линий. В сильном магнитном поле, когда поле разрывает сиин-орбигаль- ную связь, имеет место нормальный (простой) эффект Зеемана. При этом происходит расщепление уровня на три линии.

Наложение сильного электрического поля также может вызвать сдвиг спектральных линий, вызванный изменением энергетических уровней. Это явление называют эффектом Штарка — по имени Й. Штарка, открывшего его в 1913 г. Эффект Штарка объясняется тем, что иод действием электрического поля электронное облако меняет свое положение относительно ядра. В результате меняются энергетические уровни электронов в атоме.

Исследования эффектов Зеемана и Штарка позволили с высокой точностью подтвердить правильность квантовой теории строения вещества.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >