Главная страница Случайная страница Разделы сайта АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Электронный парамагнитный резонанс.
Эффект Зеемана - расщепление уровней энергии и спектральных линий излучающего атома в магнитном поле. По Лоренцу: в магнитном поле с индукцией В должен наблюдаться лоренцевский триплет с частотами: . (3.55) – ларморовская частота прецессии Лармор. Для атома, помещенного в магнитное поле, выделенным является направление магнитного поля. В этом поле дополнительная энергия атома: . (3.55a) Каждый уровень энергии расщепляется на 2 +1 подуровней. Уровни энергии атома в магнитном поле: . Частота линии излучения (или поглощения): . (3.55б) Величина - частота линии излучения атома в отсутствие магнитного поля. По правилу отбора приходим к лоренцевскому триплету. Для наблюдения эффекта Зеемана (рис.3.24) между полюсами сильного электромагнита, создающего однородное магнитное поле, помещался источник линейчатого спектра И. Наблюдения проводились поперек и вдоль магнитного поля. Излучаемый свет фокусировался линзой (или ). Характер поляризации света определялся с помощью анализатора . Далее свет попадал в спектральный прибор большой разрешающей силы. При наблюдении поперек магнитного поля для некоторых простых синглетных линий, например, ртути, кадмия и др. обнаруживается лоренцевский триплет (3.55). При продольном наблюдении возникает дублет, так как линия с частотой отсутствует. Рис.3.25
Наблюдаемые линии излучения в продольном и поперечном эффекте имеют разную поляризацию (рис.3.25). Без магнитного поля (рис.3.25а) излучение не поляризовано. При поперечном наблюдении (рис.3.25б) крайние компоненты поляризованы так, что колебания в них перпендикулярны направлению магнитного поля ( –компоненты), а несмещенная линия соответствует колебаниям вдоль магнитного поля ( –компонента). При продольном наблюдении (рис.3.25в) излучаемые линии имеют круговую поляризацию. Это легко понять с помощью рис.3.26, учитывая, что излучение поперечная волна, так Рис.3.26 что волновой вектор , где – вектор напряженности электрического поля излучения. Измеряя на опыте величину зеемановского расщепления и величину индукции магнитного поля, можно вычислить отношение . Найденное значение согласуется с измеренными значениями этого отношения другими методами. На опыте чаще наблюдается не лоренцевское расщепление, а более сложная картина - сложный, или аномальный эффект Зеемана. Его не удавалось объяснить до открытия спина электрона. Учет тонкой структуры термов объясняет мультиплетное расщепление спектральных линий. Магнитное поле также приводит к их расщеплению, определяемому ларморовской частотой. Характер расщепления спектральных линий зависит от величины напряженности магнитного поля. Различают случаи «слабого» и «сильного» магнитного поля. Если расщепление, вызываемое магнитным полем, мало по сравнению с естественным мультиплетным расщеплением ( < < ), то поле «слабое»: В противном случае магнитное поле «сильное». Магнитное поле, в котором = , называют критическим. Случай слабого магнитного поля. Спин–орбитальное взаимодействие, приводящее к тонкой структуре, является более сильным, чем взаимодействие по отдельности магнитного спинового и магнитного орбитального моментов с внешним магнитным полем. Предполагается, что осуществляется нормальный тип связи атомных моментов. , полный магнитный момент , Во внешнем магнитном поле атом приобретает дополнительную энергию , (3.56) Если бы полный магнитный момент атома был параллелен полному механическому моменту , то из (3.56), как и из (3.55а, б), следовало бы, что происходит лоренцевское расщепление. Однако это не так. В этом что причина аномального Зееман–эффекта. Магнитные орбитальный и спиновый моменты связаны с соответствующими механическими моментами соотношениями (рис.3.27): . (3.57) Векторы и не параллельны друг другу. При спин–орбитальном взаимодействия сохраняются длины векторов , а также их проекции на направление вектора : векторы прецессируют вокруг момента . Вместе с ними прецессируют векторы и вектор магнитного момента . Вектор имеет составляющую вдоль вектора и составляющую , перпендикулярную ему: Рис.3.27 = + . (3.57а) Вследствие прецессии вектора вокруг вектора составляющая быстро вращается - ее среднее значение по времени равно нулю. Составляющая не изменяется: . (3.57б) – величина (модуль) вектора . Дополнительная энергия атома (3.55) в магнитном поле: . (3.58) Вычислим . Из рис.3.27: . . (3.59) Постоянная: (3.59a) фактор, или множитель Ланде (1923). Если магнитное поле направлено вдоль оси z, то из (3.58), (3.59): . (3.60) Расщепление в слабом магнитном поле спектральной линии при переходе между состояниями «1» и «2»: , (3.61) переходы определяются правилами отбора: . Пример: расщепление D –линии (дублета) атома натрия (рис.3.28). Линия расщепляется на 4 компоненты с расщеплением частоты (в единицах ): = 4/3, 2/3, –2/3, –4/3. Линия расщепляется на 6 компонент с расщеплением = 5/3, 3/3, 1/3, –1/3, –3/3, –5/3. Таким образом, в магнитном поле D –дублет Рис.3.28 натрия расщепляется на 10 линий, при этом линии , отсутствуют. Это наблюдается на опыте. В случае сильного магнитного поля взаимодействие орбитального и спинового магнитных моментов по отдельности с магнитным полем превосходит их взаимодействие между собой. Следовательно, дополнительная энергия атома: . (3.62) Модули векторов постоянны. Постоянны также их проекции на направление магнитного поля (ось z). Векторы , а также векторы прецессируют вокруг направления магнитного поля (рис.3.29). Таким образом, дополнительная Рис.3.29 энергия атома: . (3.62a) В сильном магнитном поле наблюдается (2 L +1)(2 S +1) подуровней. Расщепление спектральной линии при переходах между состояниями «1» и «2»: . (3.63) По правилам отбора: . Поэтому: 0, . В сильном магнитном поле наблюдается простой лоренцевский триплет. Это эффект Пашена-Бака (1912), или магнитооптическое превращение.
|