Efekt Zeemana

Efekt Zeemana

Efekt Zeemana to zjawisko fizyczne polegające na rozszczepieniu linii spektralnych na składowe w obecności pola magnetycznego. Zjawisko to ma zastosowanie w pomiarze pola magnetycznego oraz w technikach takich jak NMR, EPR, MRI i spektroskopia Mössbauera.

Historia

Efekt Zeemana został po raz pierwszy zaobserwowany przez holenderskiego fizyka Pieter Zeemana w 1896 roku, podczas badań nad liniami spektralnymi sodu w silnym polu magnetycznym. W 1902 roku Zeeman otrzymał Nagrodę Nobla za swoje odkrycie. Zjawisko to dzieli się na dwa typy: normalny efekt Zeemana, dotyczący cząstek o zerowym spinie, oraz anomalny efekt Zeemana, związany z cząstkami o niezerowym spinie, który wyjaśniono w kontekście fizyki kwantowej.

Wyjaśnienie

W braku pola magnetycznego poziomy energetyczne w atomach są zdegenerowane, co pozwala na wzbudzenie elektronów do tego samego poziomu energetycznego i emisję fotonów o identycznych energiach. Po umieszczeniu atomów w polu magnetycznym degeneracja poziomów energetycznych znika, co skutkuje pojawieniem się nowych wartości energii i rozszczepieniem linii spektralnych.

Normalny efekt Zeemana

Normalny efekt Zeemana występuje, gdy spin walencyjnej powłoki atomowej wynosi zero. Rozszczepienie poziomów energetycznych można obliczyć według wzoru:

$\backslash Delta\; E\; =\; m\_J\; \backslash cdot\; B\; \backslash cdot\; \backslash mu\_B$

• $m\_J$ – liczba kwantowa rzutu momentu magnetycznego,
• $B$ – indukcja magnetyczna,
• $\backslash mu\_B\; =\; \backslash frac\{e\backslash hbar\}\{2m\_e\}$ – magneton Bohra.

Wyjaśnienia tego efektu dokonano na podstawie fizyki klasycznej przez Lorentza.

Anomalny efekt Zeemana

Anomalny efekt Zeemana występuje, gdy spin walencyjnej powłoki atomowej jest różny od zera. Zmiana energii opisana jest wzorem:

$\backslash Delta\; E\; =\; m\_J\; \backslash cdot\; B\; \backslash cdot\; \backslash mu\_B\; \backslash cdot\; g$

• $g\; =\; 1\; +\; \backslash frac\{J(J+1)+S(S+1)-L(L+1)\}\{2J(J+1)\}$ – czynnik Landégo,
• $J,S,L$ – liczby kwantowe odpowiednio całkowitego momentu pędu, spinu i orbitalnego momentu pędu.

Wyjaśnienie tego efektu opiera się na fizyce kwantowej i rozwiązaniu równania Pauliego.