Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Mecanica cuantică » Efectul Zeeman

Efectul Zeeman

Liniile spectrale ale lămpii cu vapori de mercur cu efect Zeeman
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:ZeemanEffectIllus.png

(Liniile spectrale ale lămpii cu vapori de mercur la lungimea de undă de 546,1 nm, care prezintă un efect Zeeman anormal A.Fără câmpul magnetic. B. Cu câmpul magnetic, liniile spectrale se divizează ca efect Zeeman transversal. C. Cu câmpul magnetic, liniile spectrale se divizează ca efect Zeeman longitudinal. Liniile spectrale au fost obținute utilizând un etalon Fabry-Perot. )

Efectul Zeeman, numit după fizicianul olandez Pieter Zeeman, este efectul divizării unei linii spectrale în mai multe componente în prezența unui câmp magnetic static. Este analog cu efectul Stark, divizarea unei linii spectrale în mai multe componente în prezența unui câmp electric. De asemenea, similar cu efectul Stark, tranzițiile dintre diferitele componente au, în general, intensități diferite, unele fiind interzise în întregime (în aproximarea dipolului), așa cum este reglementat de regulile de selecție.

Deoarece distanța dintre sub-nivelurile Zeeman este o funcție a rezistenței câmpului magnetic, acest efect poate fi utilizat pentru măsurarea intensității câmpului magnetic, de ex. cea a Soarelui și a altor stele, sau în plasme de laborator. Efectul Zeeman este foarte important în aplicații cum ar fi spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară, spectroscopia de rezonanță a spinului electronilor, imagistica prin rezonanță magnetică (MRI) și spectroscopia Mössbauer. Acesta poate fi, de asemenea, utilizat pentru a îmbunătăți precizia spectroscopiei de absorbție atomică. O teorie despre simțul magnetic al păsărilor presupune că o proteină din retină este schimbată datorită efectului Zeeman.

Atunci când liniile spectrale sunt linii de absorbție, efectul se numește efect Zeeman invers.

Divizarea Zeeman a nivelului 5s la Rb-87
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Breit-rabi-Zeeman.png

(Divizarea Zeeman a nivelului 5s la Rb-87, inclusiv structura fină și divizarea structurii hiperfine. Aici F = J + I, unde I este spinul nuclear (pentru Rb-87, I = 3/2). )

Nomenclatură

Din punct de vedere istoric, se face distincția între efectul Zeeman normal și efectul Zeeman normal anormal (descoperit de Thomas Preston în Dublin, Irlanda). Efectul anormal apare la tranziții în care spinul net al electronilor este un semi-întreg impar, astfel încât numărul de sub-nivele Zeeman este egal. A fost numit „anomal”, deoarece spinul electronilor nu fusese încă descoperit, deci nu exista o explicație bună pentru el în momentul în care Zeeman a observat efectul.

La câmpurile magnetice mai mari, efectul nu mai este liniar. La o intensitate a câmpului chiar mai mare, când rezistența câmpului exterior este comparabilă cu rezistența câmpului intern al atomului, cuplarea electronilor este perturbată și liniile spectrale se rearanjează. Aceasta se numește efect Paschen-Back.

În literatura științifică modernă, acești termeni sunt rareori utilizați, cu tendința de a folosi doar „efectul Zeeman”.

Prezentare teoretică

Hamiltonianul total al unui atom într-un câmp magnetic este

H = H0 + VM,

unde H0 este hamiltonianul neperturbat al atomului și VM este perturbația datorată câmpului magnetic:

VM = – μ·B,

unde μ este momentul magnetic al atomului. Momentul magnetic este format din componente electronice și nucleare; cu toate acestea, acesta din urmă este cu un număr de ordine de mărime mai mic și va fi neglijat aici. Prin urmare,

μ ≈ – μBgJ/ℏ,

unde μB este magnetonul Bohr, J este momentul angular total al electronului și g este factorul g Landé. O abordare mai precisă trebuie să țină cont că operatorul momentului magnetic al unui electron este o sumă a contribuțiilor momentului unghiular orbital L și a momentului unghiular de rotație S, fiecare multiplicat cu un raport giromagnetic adecvat:

μ = – μB(glL + gsS)/ℏ,

unde gl = 1 și gs ≈ 2,0023192 (acesta din urmă este numit raportul giromagnetic anormal, devierea valorii de la 2 se datorează efectelor electrodinamicii cuantice). În cazul cuplării LS, se pot însuma toți electronii din atom:

gJ = ‹Σi(glli + gsii)› = ‹(glL + gsS)›,

unde L și S sunt momentul orbital total și spinul atomului, și medierea se face pe o stare cu o valoare dată a momentului unghiular total.

Dacă termenul de interacțiune VM este mic (mai mic decât structura fină), acesta poate fi tratat ca o perturbare; acesta este efectul Zeeman propriu-zis. În efectul Paschen-Back, descris mai jos, VM depășește semnificativ cuplarea LS (dar este încă mică în comparație cu H0. În câmpurile magnetice ultra-puternice, interacțiunea câmpului magnetic poate depăși H0, caz în care atomul nu poate există mai mult în modul normal și se vorbește despre nivelurile Landau. Există cazuri intermediare mai complexe decât aceste limite.

Aplicații

Astrofizică

Efectul Zeeman asupra unei linii spectrale a soarelui(Efectul Zeeman asupra unei linii spectrale a soarelui)

George Ellery Hale a fost primul care a observat efectul Zeeman în spectrele solare, indicând existența câmpurilor magnetice puternice în petele solare. Astfel de câmpuri pot fi destul de mari, de ordinul a 0,1 tesla sau mai mare. Astăzi, efectul Zeeman este folosit pentru a produce magnetograme care arată variația câmpului magnetic în Soare.

Răcirea laserului

Efectul Zeeman este utilizat în multe aplicații de răcire a laserului, cum ar fi o capcană magneto-optică și Zeeman mai lent.

Energia Zeeman mediată de cuplare a spinului și mișcări orbitale

Interacțiunea spin-orbită în cristale este atribuită, de obicei, cuplării matricelor Pauli σ la un moment la impulsul electronilor k care există chiar și în absența câmpului magnetic B. Cu toate acestea, în condițiile efectului Zeeman, atunci când B ≠ 0, o interacțiune similară poate fi obținută prin cuplarea σ la coordonata r a electronului prin hamiltonianul Zeeman spațial neomogen

HZ = 1/2(Bĝσ),

unde ĝ este un factorul Lande tensorial și fie B = B(r), fie ĝ = ĝ(r), fie ambele, depinde de coordonata r a electronului. Astfel, hamiltonianul Zeeman HZ(r), care este dependent de r, cuplează spinul electronilor σ la operatorul r reprezentând mișcarea orbitală a electronului. Câmpul neomogen B(r) poate fi fie un câmp neted al surselor externe, fie un câmp magnetic microscopic cu oscilație rapidă în antiferomagneți. Cuplarea spin-orbită prin câmpul neomogen macroscopic B(r) al nanomagneților este utilizată pentru operarea electrică a spinilor electronilor în puncte cuantice prin rezonanța spinului dipol electric, și a fost demonstrat și comportamentul spinilor prin câmp electric datorită lui ĝ(r) neomogen.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *