Даются количественные характеристики эффекта Пашена-Бака
Сильное поле. Сложный эффект Зеемана наблюдается в слабом магнитном поле, когда энергия взаимодействия магнитного момента атома с магнитным полем меньше энергии спинорбитального взаимодействия. Если индукция магнитного поля достаточно велика, то энергия взаимодействия магнитного момента с магнитным полем становится больше энергии спин-орбитального взаимодействия, благодаря чему связь между орбитальным и спиновым моментами разрывается. Спиновый магнитный момент и орбитальный магнитный момент атома начинают самостоятельно взаимодействовать с магнитным полем, т.е. каждый из них самостоятельно прецессирует вокруг направления индукции магнитного поля (рис. 84). Явление разрыва спин-орбитальной связи в сильном магнитном поле называется эффектом ПашенаБака.
Расщепление уровней. Поскольку орбитальный магнитный момент и спиновый магнитный момент атома самостоятельно взаимодействуют с магнитным полем, энергия взаимодействия атома с магнитным полем равна сумме энергий взаимодействия орбитального и спинового магнитных моментов с магнитным полем. Поэтому вместо формулы (45.2) можно написать
\[
E=E^{(0)}-\mu_{L} \cdot \mathbf{B}-\mu_{\mathrm{S}} \cdot \mathbf{B},
\]

где $\left(-\mu_{\mathrm{L}} \cdot \mathbf{B}\right)$ – энергия взаимодействия орбитального магнитного момента с магнитным полем, $\left(-\mu_{S} \cdot \mathbf{B}\right)$-энергия взаимодействия спинового магнитного момента с магнитным полем.

По определению сильного поля, расщепление энергетических уровней в результате взаимодействия с магнитным полем в данном случае больше естественного мультиплетного расщепления.

В качестве примера рассмотрим расщепление в сильном магнитном поле уровней $S$ и $P$ атома натрия, которое для слабого поля изображено на рис. 83. Расщепление этих уровней в сильном магнитном поле показано на рис. 85. Прежде всего заметим, что из-за разрыва спин-орбитальной связи нельзя говорить о полном моменте атома. Благодаря этому уровень ${ }^{2} P_{1 / 2}$ уже не отличается от уровня ${ }^{2} P_{3 / 2}^{1 / 2}$, поскольку оба они теперь характеризуются одинаково как уровни с одним и тем же значением $L=1$ и независи-
* Сильным магнитным полем считается такое поле, энергия взаимодействия с которым магнитного момента атома больше энергии спин-орбитального взаимодействия. В результате спин-орбитальная связь разрывается. Явление разрыва спин-орбитальной связи в сильном магнитном поле называется эффектом Пашена-Бака. Линии излучения расщепляются на три линии с величиной расщепления, равной нормальному зеемановскому расщеплению, т.е. в результате эффекта Пашена-Бака сложный эффект Зеемана превращается в простой.
85
Схема возможных переходов в главной серии излучения атома натрия при наличии эффекта Пашена-Бака
мо направленным спином электрона. Орбитальный момент атома при $L=$ $=1$ может тремя способами ориентироваться относительно индукции магнитного поля $\left(m_{L}=-1,0,1\right)$. Это дает три значения энергии взаимодействия и приводит к расщеплению уровня $P$ на три подуровня (рис. 85). При каждой ориентировке орбитального магнитного момента спиновый магнитный момент может независимо ориентироваться двумя способами. Благодаря этому каждый из трех орбитальных подуровней расщепляется на два спиновых подуровня.

В результате получается, что уровень ${ }^{2} P$ в сильном магнитном поле расщепляется на шесть подуровней. Так как $L=0$, то расщепление уровня ${ }^{2} S$ происходит лишь вследствие ориентировки спинового магнитного момента, т.е. на два подуровня.

Расщепление линий излучения. Пользуясь правилами отбора (45.1a), (45.1г), можно найти разрешенные переходы. При этом особенно необходимо принять во внимание правило (45.1г), т.е. постоянство спинового квантового числа. На рис. 85 стрелками обозначены возможные переходы для главной серии атома натрия. Всего излучается шесть линий. Поскольку расщепление, обусловленное ориентировкой спина во внешнем магнитном поле, в $P$-состоянии и в $S$-состоянии одно и то же, эти шесть линий попарно сливаются в три и в спектре излучения наблюдается триплет. Расщепление нетрудно рассчитать по формуле (46.1), которую удобно представить в виде
\[
E=E^{(0)}-\mu_{L z} B-\mu_{S z} B .
\]

Аналогично формуле (45.3) получаем
\[
\begin{array}{l}
\hbar \omega_{12}=\hbar \omega-\left(\mu_{L_{1} z}-\mu_{L_{2} z}\right) B- \\
-\left(\mu_{s_{1} z}-\mu_{s_{2} z}\right) B .
\end{array}
\]

Учитывая, что
\[
\mu_{L z} B=\hbar \omega_{L} m_{L}, \quad \mu_{\mathrm{S} z}=2 \hbar \omega_{L} m_{S},
\]

и принимая во внимание правила отбора
\[
\Delta m_{L}=0, \pm 1, \Delta m_{S}=0,
\]

находим из (46.3)
\[
\Delta \omega=\omega_{12}-\omega=\omega_{L}\left(\begin{array}{r}
1 \\
0 \\
-1
\end{array}\right)=\left\{\begin{array}{c}
\omega_{L}, \\
0, \\
-\omega_{L},
\end{array}\right.
\]
т.е. расщепление линий равно нормальному зеемановскому расщеплению.

Следовательно, в сильном магнитном поле линии излучения расщепляются на три линии с расщеплением, равным нормальному зеемановскому ращеплению, т.е. наблюдается простой эффект Зеемана. Другими словами:
эффект Пашена-Бака есть превращение сложного эффекта Зеемана в простой в сильных магнитных полях

Хотя в сильном магнитном поле спин-орбитальная связь разорвана, определенное спин-орбитальное взаимодействие все же существует. Однако энергия этого взаимодействия меньше энергии взаимодействия орбитального и спинового магнитного моментов с магнитным полем. Если учесть это «остаточное» спин-орбитальное взаимодействие, то оно дает дополнительное мультиплетное расщепление, приводящее к возникновению тонкой структуры линий в эффекте Пашена-Бака, которая здесь не рассматривается ввиду ее малости.