ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

В 1896 г. Зееман обнаружил, что «период светового излучения натриевого пламени может измениться, если на пламя подействовать магнитной силой», и что в присутствии магнитного поля «обе линии расширялись» [2]. Более тщательный анализ показал, что происходит не расширение спектральных линий таких элементов, как водород или натрий, а расщепление их на несколько составляющих, названных мулыпиплетами. Например, при наложении магнитного поля линия, соответствующая переходу атома водорода (переход из состояния в состояние расщепляется на три линии (фиг. 157).

Фиг. 157.

Классическое объяснение этого эффекта, выдвинутое Лоренцом, основывается на том, то магнитное поле изменяет орбиту электрона. С точки зрения квантовой теории этот эффект объясняется расщеплением тех вырожденных уровней энергии атома водорода, которые обладали одинаковыми угловыми моментами, на несколько уровней со слегка отличающимися значениями энергии. Этот эффект является прекрасной иллюстрацией того, что вырождение уровней, связанное со свойством симметрии системы, снимается, когда нарушается эта симметрия. (В случае частицы, заключенной в кубическом сосуде, вырождение частично снимется, если длина одной из сторон сосуда, например 12, изменится, однако останется вырождение, соответствующее симметрии квадрата.)

Вырождение энергетических уровней, соответствующее значениям направления углового момента, или ориентациям плоскости движения электрона, обусловлено тем, что энергия атома не зависит от направления углового момента (свойства пространства одинаковы во всех направлениях) (фиг. 158).

Фиг. 158. В пустом пространстве положение плоскости орбиты электрона не влияет на энергию атома. Поэтому уровни, определяемые значениями магнитного квантового числа, которые соответствуют направлениям вектора углового момента, обладают одинаковыми энергиями.

Фиг. 159. Во внешнем магнитном поле энергия системы зависит от направления вектора углового момента (а). Для данного случая магнитное квантовое число может принимать свои обычные пять значений . Энергия же системы зависит теперь от значения этого квантового числа (отсюда возникло его название). В результате уровни расщепляются (б).

При включении магнитного поля ситуация в корне меняется; теперь появляется выделенное направление, а именно направление магнитного поля; энергия атома начинает зависеть от взаимного расположения векторов магнитного поля В и углового момента, так как с электроном, вращающимся по орбите, связан ток, а энергия взаимодействия этого тока с внешним магнитным полем зависит от их взаимной ориентации (фиг. 159, а).

При заданном I расщепление уровней энергии составляет

Эта величина чрезвычайно мала. Так, например, уровень атома водорода в присутствии магнитного поля, напряженность которого равна гаусс (весьма сильное поле), расширяется примерно на эВ.

Поэтому при наличии магнитного поля трехкратно вырожденный уровень Р расщепляется на три уровня, пятикратно вырожденный уровень расщепляется на пять уровней и т. д.

Фиг. 160. Расщепление некоторых -уровней в магнитном поле; энергии переходов, скажем, между тремя уровнями и одним уровнем теперь слегка различаются. Наблюдение атомных спектров при наличии магнитного поля является одним из методов определения числа состояний, связанных с одним уровнем.

Разность энергий между расщепленными уровнями определяется как раз различием значений энергии взаимодействия между круговым током и внешним магнитным полем при различных их взаимных ориентациях (фиг. 159, б). Таким образом, включение внешнего магнитного поля нарушает свойство одинаковости всех направлений в пространстве подобно тому, как удлинение одной из сторон кубического сосуда нарушает симметрию трех взаимно перпендикулярных направлений движения, и снимает вырождение уровней, связанное с этой симметрией (фиг. 160).