MOMEN MEKANIK DAN MAGNETIK ELEKTRON
Momen magnet orbital suatu elektron
Setiap arus, seperti diketahui, menghasilkan medan magnet. Oleh karena itu, elektron yang momen mekanik orbitalnya berbeda dari nol pasti juga mempunyai momen magnet.
Dari konsep klasik, momentum sudut mempunyai bentuk
dimana adalah kecepatan dan jari-jari kelengkungan lintasan.
Momen magnet dari arus tertutup dengan luas menimbulkan momen magnet
adalah satuan normal bidang, dan merupakan muatan serta massa elektron.
Membandingkan (3.1) dan (3.2), kita peroleh
Momen magnet dihubungkan dengan momen mekanis melalui pengali
yang disebut rasio magnetomekanis (gyromagnetik) untuk elektron.
Untuk proyeksi momen kita mempunyai hubungan yang sama
Transisi ke mekanika kuantum dilakukan dengan mengganti persamaan numerik dengan persamaan operator
Rumus (3.5) dan (3.6) berlaku tidak hanya untuk elektron dalam atom, tetapi juga untuk setiap partikel bermuatan yang memiliki momen mekanis.
Nilai eigen operator sama dengan
di mana bilangan kuantum magnetik (lihat Bagian 2.1)
Konstanta tersebut disebut magneton Bohr
Dalam satuan SI adalah J/T.
Dengan cara yang sama, Anda dapat memperoleh nilai eigen momen magnet
dimana adalah bilangan kuantum orbital.
Rekaman sering digunakan
Di mana . Tanda minus terkadang dihilangkan.
Momen mekanik dan magnet intrinsik suatu elektron (spin)
Elektron memiliki derajat kebebasan keempat, yang dikaitkan dengan momen mekanis (dan, karenanya, magnetis) elektron itu sendiri - putaran. Kehadiran spin mengikuti persamaan Dirac relativistik
dimana adalah matriks vektor, dan merupakan matriks empat baris.
Karena besarannya adalah matriks empat baris, fungsi gelombang harus mempunyai empat komponen, yang dapat dengan mudah ditulis sebagai kolom. Kami tidak akan melakukan penyelesaian (3.12), tetapi akan mendalilkan keberadaan spin (momen intrinsik) elektron sebagai persyaratan empiris, tanpa mencoba menjelaskan asal usulnya.
Mari kita membahas secara singkat fakta-fakta eksperimental yang menjadi asal mula keberadaan spin elektron. Salah satu bukti langsung tersebut adalah hasil pengalaman fisikawan Jerman Stern dan Gerlach (1922) tentang kuantisasi spasial. Dalam percobaan ini, berkas atom netral dilewatkan melalui suatu wilayah di mana medan magnet yang tidak seragam tercipta (Gbr. 3.1). Dalam medan seperti itu, sebuah partikel dengan momen magnet memperoleh energi dan suatu gaya akan bekerja padanya
yang dapat membagi balok menjadi komponen-komponen individual.
Eksperimen pertama meneliti berkas atom perak. Sinar dilewatkan sepanjang sumbu, dan diamati pemisahan sepanjang sumbu. Komponen utama gaya adalah sama dengan
Jika atom-atom perak tidak tereksitasi dan berada pada tingkat yang lebih rendah, yaitu dalam keadaan (), maka berkas tersebut tidak boleh terbelah sama sekali, karena momen magnet orbital atom-atom tersebut adalah nol. Untuk atom yang tereksitasi (), berkas harus dipecah menjadi komponen-komponen yang jumlahnya ganjil sesuai dengan jumlah kemungkinan nilai bilangan kuantum magnetik ().
Faktanya, sinar itu terpecah menjadi dua komponen. Artinya momen magnet yang menyebabkan pemisahan mempunyai dua proyeksi terhadap arah medan magnet, dan bilangan kuantum yang bersangkutan mempunyai dua nilai. Hasil percobaan tersebut mendorong fisikawan Belanda Uhlenbeek dan Goudsmit (1925) mengajukan hipotesis tentang elektron memiliki momen mekanis dan momen magnetiknya sendiri.
Dengan analogi bilangan orbital, kami memperkenalkan bilangan kuantum, yang mencirikan momentum mekanik elektron itu sendiri. Mari kita tentukan berdasarkan jumlah pemisahan. Karena itu,
Bilangan kuantum disebut bilangan kuantum spin, dan mencirikan momentum sudut intrinsik atau spin (atau sekadar “putaran”). Bilangan kuantum magnetik, yang menentukan proyeksi momen mekanis putaran dan momen magnetik putaran, memiliki dua arti. Sejak , a , maka tidak ada nilai lain, dan, oleh karena itu,
Ketentuan putaran berasal dari kata bahasa Inggris putaran, yang artinya berputar.
Momentum sudut putaran elektron dan proyeksinya dikuantisasi menurut aturan umum:
Seperti biasa, saat mengukur suatu besaran, salah satu dari dua kemungkinan nilai diperoleh. Sebelum pengukuran, superposisi apa pun dapat dilakukan.
Keberadaan spin tidak dapat dijelaskan dengan perputaran elektron pada porosnya sendiri. Nilai torsi mekanik maksimum dapat diperoleh jika massa elektron terdistribusi di sepanjang ekuator. Kemudian, untuk memperoleh besaran momen keteraturan, kecepatan linier titik-titik ekuator haruslah m/s (m adalah jari-jari klasik elektron), yaitu jauh lebih besar daripada kecepatan cahaya. Dengan demikian, perlakuan putaran nonrelativistik tidak mungkin dilakukan.
Mari kita kembali ke eksperimen Stern dan Gerlach. Mengetahui besarnya pembelahan (berdasarkan besarnya), kita dapat menghitung besarnya proyeksi momen magnet putaran terhadap arah medan magnet. Ini merupakan satu magneton Bohr.
Kami mendapatkan hubungan antara dan:
Besarnya
disebut rasio magnetomekanis putaran dan dua kali rasio magnetomekanis orbital.
Hubungan yang sama terjadi antara momen magnetik dan momen mekanis putaran:
Sekarang mari kita cari nilainya:
Namun, biasanya dikatakan bahwa momen magnet spin suatu elektron sama dengan satu magneton Bohr. Terminologi ini telah berkembang secara historis dan disebabkan oleh fakta bahwa ketika mengukur momen magnet, kita biasanya mengukur proyeksinya, dan nilainya persis sama dengan 1.
Elektron mempunyai momentum sudut mekanis L s yang disebut spin. Putaran adalah sifat integral elektron, seperti muatan dan massanya. Putaran elektron berhubungan dengan momen magnetnya sendiri P s, sebanding dengan L s dan diarahkan ke arah yang berlawanan: P s = g s L s, g s adalah rasio gyromagnetik momen putaran. Proyeksi momen magnet sendiri ke arah vektor B: P sB =eh/2m= B , dimanah=h/2, B =Bohr magneton. Momen magnet total atom p a = jumlah vektor momen magnet elektron yang memasuki atom: P a =p m +p ms. Pengalaman Stern dan Gerlach. Dengan mengukur momen magnet, mereka menemukan bahwa berkas sempit atom hidrogen dalam medan magnet yang tidak seragam terbagi menjadi 2 berkas. Walaupun dalam keadaan ini (atom berada pada keadaan S), momentum sudut elektron adalah 0, begitu pula momen magnet atom adalah 0, sehingga medan magnet tidak mempengaruhi pergerakan atom hidrogen, yaitu adalah, tidak boleh ada perpecahan. Namun, penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa garis spektral atom hidrogen menunjukkan struktur seperti itu bahkan tanpa adanya medan magnet. Selanjutnya, ditemukan bahwa struktur garis spektrum ini dijelaskan oleh fakta bahwa elektron memiliki momen mekanis yang tidak dapat dihancurkan, yang disebut spin.
21. Orbital, putaran dan momen sudut dan magnet total elektron.
Elektron mempunyai momentum sudut M S yang disebut spin. Nilainya ditentukan berdasarkan hukum umum mekanika kuantum: M S = h= h[(1/2)*(3/2)]=(1/2) h3, M l = h – momen orbital. Proyeksi dapat mengambil nilai kuantum yang berbeda satu sama lain sebesar h. M Sz =m S h, (m s =S), M lz =m l h. Untuk mencari nilai momen magnet intrinsik, kalikan M s dengan perbandingan s dengan M s, s – momen magnet intrinsik:
s =-eM s /m e c=-(e h/m e c)=- B 3, B – Bohr Magneton.
Tanda (-) karena M s dan s arahnya berbeda. Momen elektron terdiri dari 2: orbital M l dan spin M s. Penambahan ini dilakukan menurut hukum kuantum yang sama dengan yang menambahkan momen orbital elektron yang berbeda: Мj= h, j adalah bilangan kuantum momentum sudut total.
22. Sebuah atom dalam medan magnet luar. Efek Zeeman .
Efek Zeeman adalah pemisahan tingkat energi ketika atom terkena medan magnet. Pemisahan level menyebabkan terpecahnya garis spektral menjadi beberapa komponen. Terpecahnya garis spektral ketika atom-atom yang dipancarkan terkena medan magnet disebut juga efek Zeeman. Pemisahan level Zeeman dijelaskan oleh fakta bahwa atom yang memiliki momen magnet j memperoleh energi tambahan E=- jB B dalam medan magnet, jB adalah proyeksi momen magnet ke arah medan. jB =- B gm j , E= B gm j , ( j =0, 1,…, J). Tingkat energi dibagi menjadi beberapa sublevel, dan besarnya pemisahan bergantung pada bilangan kuantum L, S, J pada tingkat tertentu.
Momen mekanik dan magnet intrinsik (putaran)
DASAR KEBERADAAN SPIN. Persamaan Schrödinger memungkinkan seseorang menghitung spektrum energi hidrogen dan atom yang lebih kompleks. Namun, penentuan eksperimental tingkat energi atom menunjukkan bahwa tidak ada kesepakatan lengkap antara teori dan eksperimen. Pengukuran yang tepat mengungkapkan struktur level yang halus. Semua level, kecuali yang utama, dipecah menjadi beberapa sublevel yang sangat berdekatan. Khususnya, tingkat tereksitasi pertama dari atom hidrogen ( N= 2) dipecah menjadi dua sublevel dengan perbedaan energi hanya 4,5 · 10 -5 eV. Untuk atom berat, besarnya pembelahan halus jauh lebih besar dibandingkan atom ringan.
Perbedaan antara teori dan eksperimen ini dapat dijelaskan dengan menggunakan asumsi (Uhlenbeck, Goudsmit, 1925) bahwa elektron memiliki derajat kebebasan internal lain - putaran. Menurut asumsi ini, elektron dan sebagian besar partikel elementer lainnya, bersama dengan momentum sudut orbital, juga mempunyai momentum sudut mekanisnya sendiri. Momen intrinsik ini disebut putaran.
Adanya putaran pada suatu mikropartikel berarti bahwa dalam beberapa hal ia seperti gasing kecil yang berputar. Namun analogi ini murni formal, karena hukum kuantum secara signifikan mengubah sifat momentum sudut. Menurut teori kuantum, mikropartikel titik dapat mempunyai momennya sendiri. Sifat kuantum spin yang penting dan tidak sepele adalah bahwa hanya ia yang dapat menentukan orientasi yang diinginkan dalam sebuah partikel.
Kehadiran momen mekanis intrinsik dalam partikel bermuatan listrik menyebabkan munculnya momen magnetnya sendiri (putaran), yang diarahkan, tergantung pada tanda muatannya, sejajar (muatan positif) atau antiparalel (muatan negatif) terhadap vektor putaran. Partikel netral, misalnya neutron, juga dapat memiliki momen magnetnya sendiri.
Adanya spin pada suatu elektron ditunjukkan oleh percobaan Stern dan Gerlach (1922) dengan mengamati pembelahan berkas sempit atom perak di bawah pengaruh medan magnet yang tidak homogen (dalam medan homogen momen hanya berubah orientasi; hanya dalam medan tak homogen ia bergerak secara translasi sepanjang medan atau melawannya) tergantung pada arah relatif terhadap medan). Atom perak yang tidak tereksitasi berada dalam keadaan s simetris bola, yaitu dengan momentum orbital sama dengan nol. Momen magnet sistem, yang terkait dengan gerakan orbital elektron (seperti dalam teori klasik), berbanding lurus dengan momen mekanis. Jika yang terakhir adalah nol, maka momen magnetnya juga harus nol. Artinya, medan magnet luar tidak boleh mempengaruhi pergerakan atom perak dalam keadaan dasar. Pengalaman menunjukkan bahwa pengaruh seperti itu memang ada.
Dalam percobaan tersebut, seberkas atom perak, logam alkali dan hidrogen dipecah, namun Selalu hanya diamati dua bundel, sama-sama dibelokkan ke arah yang berlawanan dan terletak secara simetris relatif terhadap berkas tanpa adanya medan magnet. Hal ini hanya dapat dijelaskan oleh fakta bahwa momen magnet elektron valensi dengan adanya medan dapat mempunyai dua nilai, besarnya sama dan bertanda berlawanan.
Hasil percobaan mengarah pada kesimpulan bahwa bahwa pembelahan dalam medan magnet seberkas atom golongan pertama Tabel Periodik, yang jelas-jelas berada dalam keadaan s, menjadi dua komponen dijelaskan oleh dua kemungkinan keadaan momen magnet spin elektron valensi. Besarnya proyeksi momen magnet terhadap arah medan magnet (hal inilah yang menentukan efek defleksi), yang diperoleh dari percobaan Stern dan Gerlach, ternyata sama dengan yang disebut magnet Bohr
Struktur halus tingkat energi atom yang mempunyai satu elektron valensi dijelaskan oleh adanya spin pada elektron sebagai berikut. Dalam atom (tidak termasuk S-keadaan) akibat gerak orbital, terdapat arus listrik, yang medan magnetnya mempengaruhi momen magnet putaran (yang disebut interaksi putaran-orbit). Momen magnet suatu elektron dapat diorientasikan sepanjang medan atau melawan medan. Negara-negara dengan orientasi putaran yang berbeda memiliki energi yang sedikit berbeda, yang menyebabkan terpecahnya setiap tingkat menjadi dua. Atom dengan beberapa elektron pada kulit terluarnya akan mempunyai struktur halus yang lebih kompleks. Jadi, dalam helium, yang memiliki dua elektron, terdapat garis tunggal (singlet) dalam kasus spin elektron antiparalel (total spin adalah nol - parahelium) dan garis rangkap tiga (triplet) dalam kasus spin paralel (total spin adalah nol). H- ortohelium), yang sesuai dengan tiga kemungkinan proyeksi ke arah medan magnet arus orbital dari putaran total dua elektron (+j, 0, -j).
Dengan demikian, sejumlah fakta menyebabkan perlunya mengaitkan elektron dengan derajat kebebasan internal yang baru. Untuk gambaran lengkap keadaan, bersama dengan tiga koordinat atau tiga besaran lainnya yang membentuk himpunan mekanika kuantum, perlu juga menentukan nilai proyeksi putaran ke arah yang dipilih (modulus putaran tidak perlu harus ditentukan, karena seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman, ia tidak berubah untuk partikel mana pun dalam keadaan apa).
Proyeksi putaran, seperti proyeksi momentum orbital, dapat berubah beberapa kali lipat H. Karena hanya dua orientasi putaran elektron yang diamati, Uhlenbeck dan Goudsmit berasumsi bahwa proyeksi putaran elektron S z untuk segala arah dapat mengambil dua nilai: S z = ±jam/2.
Pada tahun 1928, Dirac memperoleh persamaan kuantum relativistik untuk elektron, yang kemudian menjadi dasar keberadaan dan putaran elektron. jam/2 tanpa hipotesis khusus.
Proton dan neutron mempunyai spin 1/2 yang sama dengan elektron. Putaran foton sama dengan 1. Namun karena massa foton adalah nol, maka dua, bukan tiga, proyeksi +1 dan -1 yang mungkin dilakukan. Kedua proyeksi dalam elektrodinamika Maxwell ini berhubungan dengan dua kemungkinan polarisasi melingkar gelombang elektromagnetik, searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam terhadap arah rambat.
SIFAT-SIFAT IMPULS MOMENTUM TOTAL. Momentum orbital M dan momentum spin S merupakan besaran yang hanya mempunyai nilai diskrit kuantum. Sekarang mari kita perhatikan momentum sudut total, yang merupakan jumlah vektor momen-momen tersebut.
Kami mendefinisikan operator momentum sudut total sebagai jumlah dari operator dan
Operator dan perjalanan, karena operator bertindak berdasarkan koordinat, tetapi operator tidak bertindak berdasarkan koordinat tersebut. Hal ini dapat ditunjukkan bahwa
artinya, proyeksi momentum sudut total tidak saling berpindah dengan cara yang sama seperti proyeksi momentum orbital. Operator melakukan perjalanan dengan proyeksi apa pun, yang berarti bahwa operator dan operator dari setiap (kecuali satu) proyeksi sesuai dengan besaran fisis dan termasuk di antara besaran yang dapat diukur secara bersamaan. Operator juga bepergian dengan operator dan.
Kami menentukan keadaan elektron di medan gaya pusat dengan tiga bilangan kuantum: n, aku, m. Tingkat kuantum E N umumnya ditentukan oleh dua bilangan kuantum n, aku. Dalam hal ini, putaran elektron tidak diperhitungkan. Jika kita juga memperhitungkan putaran, maka setiap keadaan pada dasarnya menjadi ganda, karena dua orientasi putaran dimungkinkan S z = hm S ; M S = ±1/2. Jadi, bilangan keempat ditambahkan ke tiga bilangan kuantum M S, yaitu, fungsi gelombang dengan mempertimbangkan putaran harus dilambangkan.
Untuk setiap istilah E n, aku kita punya (2 aku+ 1) keadaan berbeda dalam orientasi momentum orbital (angka M), yang masing-masing pada gilirannya terurai menjadi dua keadaan yang berbeda putarannya. Jadi, ada 2(2 aku+ 1) -degenerasi lipat.
Jika sekarang kita memperhitungkan interaksi lemah spin dengan medan magnet arus orbital, maka energi keadaan juga akan bergantung pada orientasi spin relatif terhadap momentum orbital. Perubahan energi selama interaksi tersebut kecil dibandingkan dengan perbedaan energi antar level yang berbeda n, aku dan oleh karena itu garis-garis baru yang muncul berdekatan satu sama lain.
Dengan demikian, perbedaan orientasi momen putaran terhadap medan magnet internal atom dapat menjelaskan asal muasal banyaknya garis spektrum. Dari penjelasan di atas dapat disimpulkan bahwa untuk atom dengan satu elektron optik, hanya doublet (garis ganda) yang mungkin terjadi karena dua orientasi spin elektron. Kesimpulan ini dikonfirmasi oleh data eksperimen. Sekarang mari kita beralih ke penomoran tingkat atom dengan mempertimbangkan struktur kelipatannya. Ketika memperhitungkan interaksi spin-orbit, baik momentum orbital maupun momentum spin tidak memiliki nilai tertentu dalam keadaan dengan energi tertentu (operator tidak berpindah-pindah dengan operator). Menurut mekanika klasik, kita akan mendapatkan presesi vektor dan di sekitar vektor torsi total, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 20. Momen total tetap konstan. Situasi serupa terjadi dalam mekanika kuantum. Ketika memperhitungkan interaksi putaran, hanya momen total yang memiliki nilai tertentu dalam keadaan dengan energi tertentu (operator berpindah-pindah dengan operator). Oleh karena itu, ketika memperhitungkan interaksi spin-orbit, keadaan harus diklasifikasikan menurut nilai momen total. Momen total dikuantisasi menurut aturan yang sama seperti momen orbital. Yaitu jika kita memperkenalkan bilangan kuantum J, yang menentukan momen J, Itu
Dan proyeksi ke suatu arah adalah 0 z memiliki arti J z = hm J, di mana J= aku + aku S (aku S= S), jika putaran sejajar dengan momen orbital, dan J= | aku - aku S| jika keduanya antiparalel. Dengan cara yang sama M J = m + m S (M S= ±1/2). Karena l,m adalah bilangan bulat, dan aku S , aku M- setengahnya, kalau begitu
J = 1/2, 3/2, 5/2, … ; M J= ±1/2, ±3/2, …, ± J.
Tergantung pada orientasi putarannya, energi istilahnya akan berbeda-beda, yaitu untuk J = aku+ ½ dan J = |aku- S|. Oleh karena itu, dalam hal ini tingkat energi harus ditandai dengan angka n,l dan angka j, yang menentukan momen total, yaitu E = E nlj.
Fungsi gelombang akan bergantung pada variabel putaran S z dan akan berbeda untuk j yang berbeda: .
Tingkat kuantum pada waktu tertentu aku, berbeda artinya J, berdekatan satu sama lain (berbeda dalam energi interaksi spin-orbit). Empat angka n, aku, j, m J dapat mengambil nilai berikut:
N= 1, 2, 3,…; aku= 0, 1, 2,…, N- 1; J = aku + aku S atau | II S |; aku S= ±1/2;
-J ? M J ? J.
Nilai momen orbital l dilambangkan dalam spektroskopi dengan huruf s, p, d, f, dst. Bilangan kuantum utama diletakkan di depan huruf. Nomornya tertera di kanan bawah J. Oleh karena itu, misalnya level (term) dengan N= 3, aku = 1, J= 3/2 ditetapkan sebagai 3 R 3/2. Gambar 21 menunjukkan diagram tingkat atom mirip hidrogen dengan mempertimbangkan struktur kelipatannya. Baris 5890? dan 5896? membentuk
doublet natrium yang terkenal: garis kuning D2 dan D1. 2 S-term jauh dari 2 R-istilah, sebagaimana seharusnya pada atom mirip hidrogen ( aku-degenerasi dihilangkan).
Masing-masing level dipertimbangkan E tidak milik (2 J+ 1) negara bagian berbeda jumlahnya M J, yaitu orientasi momen total J dalam ruang. Hanya ketika bidang eksternal diterapkan, level penggabungan ini dapat dipisahkan. Dengan tidak adanya bidang seperti itu kita memiliki (2 J+ 1) degenerasi lipat. Jadi istilah 2 S 1/2 memiliki degenerasi 2: dua keadaan yang berbeda dalam orientasi putaran. Istilah 2 R 3/2 mengalami degenerasi empat kali lipat menurut orientasi momennya J, M J= ±1/2, ±3/2.
EFEK ZEEMAN. P. Zeeman, mempelajari spektrum emisi uap natrium yang ditempatkan dalam medan magnet luar, menemukan pemisahan garis spektrum menjadi beberapa komponen. Selanjutnya, berdasarkan konsep mekanika kuantum, fenomena ini dijelaskan oleh pemisahan tingkat energi atom dalam medan magnet.
Elektron dalam suatu atom hanya dapat berada dalam keadaan diskrit tertentu, jika diubah maka kuantum cahaya akan dipancarkan atau diserap. Energi tingkat atom bergantung pada momentum orbital total, yang dicirikan oleh bilangan kuantum orbital L, dan putaran total elektronnya, yang dicirikan oleh bilangan kuantum putaran S. Nomor L hanya dapat menerima bilangan bulat, dan angka S- bilangan bulat dan setengah bilangan bulat (dalam satuan H). Arah yang dapat mereka ambil sesuai (2 L+ 1) dan (2 S+ 1) posisi dalam ruang. Oleh karena itu, tingkat data L Dan S merosot: terdiri dari (2 L+ 1)(2S +1) sublevel, yang energinya (jika interaksi spin-orbit tidak diperhitungkan) bertepatan.
Namun, interaksi spin-orbit mengarah pada fakta bahwa energi suatu tingkat tidak hanya bergantung pada kuantitas L Dan S, tetapi juga pada posisi relatif momentum orbital dan vektor spin. Oleh karena itu, energinya ternyata bergantung pada torsi total M = M L + M S, ditentukan oleh bilangan kuantum J, dan level dengan yang diberikan L Dan S terpecah menjadi beberapa sublevel (membentuk multiplet) dengan berbeda-beda J. Pemisahan ini disebut struktur tingkat halus. Berkat strukturnya yang halus, garis spektrum juga terbelah. Misalnya, D-garis natrium berhubungan dengan transisi dari level L = 1 , S= ½ per tingkat c L = 0, S= S. Yang pertama (level) adalah doublet yang sesuai dengan nilai yang mungkin J= 3/2 dan J= Ѕ ( J =L + S; S= ±1/2), dan yang kedua tidak memiliki struktur yang halus. Itu sebabnya D-garis terdiri dari dua garis yang sangat berdekatan dengan panjang gelombang 5896? dan 5890?.
Setiap tingkat kelipatan masih tetap merosot karena kemungkinan orientasi momen mekanis total dalam ruang sepanjang (2 J+ 1) petunjuk arah. Dalam medan magnet, degenerasi ini dihilangkan. Momen magnet suatu atom berinteraksi dengan medan, dan energi interaksi tersebut bergantung pada arahnya. Oleh karena itu, bergantung pada arahnya, atom memperoleh energi tambahan yang berbeda dalam medan magnet, dan Zeeman membagi levelnya menjadi (2 J+ 1) sublevel.
Membedakan efek Zeeman normal (sederhana) ketika setiap garis dipecah menjadi tiga komponen dan efek anomali (kompleks) ketika setiap garis dipecah menjadi lebih dari tiga komponen.
Untuk memahami prinsip umum efek Zeeman, mari kita perhatikan atom paling sederhana – atom hidrogen. Jika atom hidrogen ditempatkan dalam medan magnet seragam luar dengan induksi DI DALAM, kemudian karena interaksi momen magnet R M dengan medan eksternal, atom akan memperoleh nilai tambahan tergantung pada modulus dan orientasi timbal balik DI DALAM Dan pm energi
Universitas Brawijaya= -PMB = -pmBB,
Di mana pmB- proyeksi momen magnet elektron ke arah medan.
Mengingat bahwa R mB = - eh aku /(2m)(bilangan kuantum magnetik M aku= 0, ±1, ±2, …, ±l), kita peroleh
magnet Bohr.
Energi total atom hidrogen dalam medan magnet
dimana suku pertama adalah energi interaksi Coulomb antara elektron dan proton.
Dari rumus terakhir dapat disimpulkan bahwa tanpa adanya medan magnet (B = 0), tingkat energi hanya ditentukan oleh suku pertama. Kapan B? 0, nilai m l yang berbeda harus diperhitungkan. Sejak untuk diberikan N Dan aku nomor ml dapat mengambil 2 aku+ 1 nilai yang mungkin, maka level awal akan dibagi menjadi 2 aku+ 1 sublevel.
Pada Gambar. Gambar 22a menunjukkan kemungkinan transisi atom hidrogen antar keadaan R(aku= 1) dan S (aku= 0). Dalam medan magnet, keadaan p terbagi menjadi tiga sublevel (pada l = 1 m = 0, ±1), yang masing-masing sublevelnya dapat terjadi transisi ke level s, dan setiap transisi dicirikan oleh frekuensinya sendiri: Akibatnya, triplet muncul dalam spektrum (efek normal Zeeman). Perhatikan bahwa selama transisi, aturan untuk memilih bilangan kuantum dipatuhi:
Pada Gambar. Gambar 22b menunjukkan pemisahan tingkat energi dan garis spektral untuk transisi antar keadaan D(aku= 2) dan P(aku= 1). Negara D dalam medan magnet
dibagi menjadi lima sublevel, nyatakan p menjadi tiga. Jika aturan transisi diperhitungkan, hanya transisi yang ditunjukkan pada gambar yang dimungkinkan. Seperti dapat dilihat, triplet muncul dalam spektrum (efek Zeeman normal).
Efek Zeeman normal diamati jika garis asli tidak memiliki struktur halus (itu adalah singlet). Jika level awal memiliki struktur yang halus, maka sejumlah besar komponen muncul dalam spektrum dan efek Zeeman yang anomali diamati.
